[发明专利]一种从低温熔体中连续拉晶提纯多晶硅的方法及专用装置

说明书

技术领域

本发明涉及太阳能级高纯多晶硅的制备方法，具体是指一种从低温熔体中连续拉晶提纯多晶硅的方法，及制备该方法所用的专用装置。

背景技术

多晶硅作为晶体硅太阳电池的主要原料，随着光伏行业的迅猛发展，对其需求量越来越大。传统太阳能级多晶硅的主要来源是生产电子级单晶硅时剩余的埚底料，以及单晶硅锭切削屑等废品料。

目前(改良)西门子法是生产高纯多晶硅的主要方法，该方法虽然获得的多晶硅纯度高，但有着能耗高、污染大，投资规模大，建设周期长等诸多缺点。近年来，随着太阳能级多晶硅供求矛盾的日益凸显，以及进一步降低生产成本的愿望，一些制备太阳能级多晶硅的新技术、新方法得到了快速发展。从最近公开的技术研究趋势看，通过物理冶金手段直接将金属硅提高纯度至太阳能级已经成为目前技术研究发展的一个主要方向，这些技术包括：电子束加热真空除磷、等离子体加热除硼、定向凝固、氧化精炼等。值得注意的是，硅中的B、P偏析系数接近1，通过简单的定向凝固或区域熔炼是无法去除的，特别是B，其沸点与硅相近，通过真空同样无法除去。正因为如此，B、P杂质的去除成为冶金法生产太阳能级多晶硅的主要难点和重点。

中国专利申请号96198989.0和98109237.3中均介绍了一种多晶硅的制造方法，该方法首先在高真空下通过电子束加热，精炼除磷，然后进行一次定向凝固，将铸锭上部杂质浓度高的部分切除，剩余部分用等离子体电弧氧化精炼除硼，再进行一次定向凝固，最终获得B、P含量较低的多晶硅。然而，该方法使用的电子束加热和等离子加热，能耗大、设备昂贵。整个工艺需要的温度均在1420℃以上，操作温度较高，且流程复杂，硅的损失率也很高。

另外，中国专利申请号200480035884.9中介绍了一种温度低于硅熔点的除磷方法，该方法先将工业硅研磨成细粉，并在真空中保温36小时，温度约为1370℃，以达到除磷的效果。该方法虽然能去除一部分磷，但磷的去除率低，整个工艺处理时间长，温度高，硅研磨时还会带入其它杂质。

中国专利申请号200910094519.X中介绍了一种除硼的方法，该方法将硅粉与硫化物、氯化物、氟化物等混合，研磨成型，在600～1600℃反应，使硼生成硫化物、氯化物或氟化物挥发除去。该方法主要的问题在于需要将硅粉碾磨到很细，且添加的硫化物、氯化物、氟化物纯度需要达到99.999％，很难实现。

硅能与多种金属形成二元或三元共晶，图1所示是典型的金属单质与硅的二元共晶相图，其共晶点成分为Ae％Si，共晶温度为Te。将硅含量为A0％的硅过共晶体在高于T0温度下熔化形成熔体后，熔体温度冷却至T0温度时，硅开始沿着固相线析出，当熔体继续冷却至T1温度时，熔体中硅含量变为A1％，此时将有(A0-A1)％的硅析出。根据文献(ISIJ International，Vol.45(2007)，No.7pp.967-971Refining of Si by the solidification of Si-Al melt with electromagneticforce)报道，由于硅在低温熔体中的析出温度远低于硅的熔点，800℃时B和P在硅铝熔体中分凝系数比在硅中小一个数量级，所以从熔体中析出的硅，其B、P含量较低，可以达到较高纯度。

中国专利申请号200810121943.4中介绍了一种金属硅的物理提纯方法，该方法将硅和铝按一定比例混合后，加热到750～1450℃保温一定时间形成硅铝熔体，然后简单降温、清洗、干燥后获得纯度达99.99％的硅。该方法只是采用简单的降温，所析出的片状硅晶体均匀分散在铝中间，无法简单取出，并且不能连续生产。

尽管从低温熔体中析出的硅具有较高的纯度，但怎样实现硅晶体与熔体的分离是尚没有解决的难题。上述文献提出采用电磁冶金的方式，使析出的硅在铸锭的底部富集，实现硅晶体与熔体的分离。美国专利4256717提出采用滤网捞起的办法将硅晶体分离出来。这两种方法在一定程度上达到了分离的目的，但分离效果不是很好，并且从生产效率、生产的连续性、可操作性方面来说，不是很适合规模化生产。

发明内容

为解决上述已有技术存在的问题，本发明的目的是提出一种可适合规模化生产的，从低温熔体中连续拉晶提纯多晶硅的方法，及制备该方法所用的专用装置。

一种从低温熔体中连续拉晶提纯多晶硅的方法，其步骤如下：