[发明专利]触媒法生产多晶硅和多晶硅薄膜的方法

说明书

技术领域

本发明涉及清洁能源用材料领域，具体涉及一种触媒法(或萃取法)生产太阳能多晶硅和多晶硅薄膜的方法。用于制造多晶硅太阳能电池和多晶硅薄膜太阳能电池。

技术背景

高纯硅是太阳能发电的核心材料，目前普遍采用的生产方法是改良的西门子法和新硅烷法，用以上方法生产多晶硅都存在投资大，耗能高的工艺技术缺陷，因而产品成本较高，不能满足太阳能发电对多晶硅材料的经济性要求。因此各国都投入大量的精力进行太阳能电池专用多晶硅的研究，以找到低成本多晶硅的生产方法。关于高纯硅的质量，最关键的问题在除磷和硼，因为它们在硅中的固-液分配系数接近于1，它不能用定向凝固和区域熔炼法去除，因而有效去除磷和硼是提纯的关键。目前国内外普遍用于制造太阳能级多晶硅的方法是改良西门子法和硅烷法。而国内主要以西门子法为主，其生产原理如下：首先将金属硅与氯化氢气体反应，生成三氯氢硅即：Si+3HCl-SiHCl₃+H₂，然后采用精馏法提纯SiHCl₃，再将SiHCl₃在900-1000℃下用氢气还原制得多晶硅即：SiHCl₃(g)+H₂(g)-Si(s)+3HCl(g).西门子法的缺点在于耗能高，国内1Kg硅耗电量400-500KW·h，美国为130-150KW·h，另外投资大，建成周期长，以年产1000吨多晶硅为例，需投资8-13亿元人民币，3-4年周期。

发明内容

本发明的目的是在于提供了一种触媒法生产多晶硅和多晶硅薄膜的方法，方法易行，具有耗能低，投资小，以年产1000吨多晶硅为例，仅需投资2-3亿元，建成周期仅需1-1.5年，每Kg多晶硅耗电量仅需30-60KW·h。可大量节省投资，降低电耗，从而大大降低生产成本。

为了达到上述的目的，本发明采用以下技术措施：

本发明采用金属硅以金属铝作为触媒(或称萃取剂)在真空或保护气氛炉内加热熔化，然后缓慢冷却，从熔体中析出含较少杂质的多晶硅，而大量杂质仍存留于富铝的液相中，能有效去除磷和其它金属杂质，从而达到提纯硅的目的。在随后的用四氯化硅(可用西门子法付产品)精炼时去除硼和作为触媒的金属铝和钛，锰，锌，铅，镁，钙，钡，铬等杂质，并采用定向凝固铸锭技术进一步降低多晶硅锭内的金属杂质含量，从而生产出满足太阳能电池用多晶硅材料。

一种触媒法生产多晶硅和多晶硅薄膜的方法，其步骤是：

步骤一：将两种金属按金属硅∶金属铝＝0.1-10(重量比)的比例装入内胆为高纯氧化物坩埚或高纯石墨坩埚的熔化炉内，在真空或保护气氛(N2，H2，Ar)下完全熔化，其熔化温度根据金属铝的配比在570～1450℃之间，此时金属硅和金属铝中的杂质磷将与金属铝形成熔点高达(2530℃)的固体化合物达到去除杂质磷的目的。

步骤二：A.将熔体浇注至温度为550-650℃的高纯石英坩埚或高纯氧化铝坩埚内，等温度冷却，当熔体温度降至坩埚的保温温度(550-650℃)时倒出(或排除)未凝固的熔体，此时石英坩埚或氧化铝坩埚内已凝固的为含有一定量(0.5-4％)的金属铝，极低的磷(＜0.001％wt)及微量其它金属杂质(＜0.01％wt)中间硅产品。

B.将熔体浇注至高纯石英坩埚或高纯氧化铝坩埚内缓慢冷却至室温(20-25℃以下相同)，得到硅铝合金。

C.将熔体采用定向凝固技术定向凝固，当熔体温度降至550-650℃左右时倒出未凝固的熔体，得到定向凝固的硅锭。

步骤三：将步骤二所制得的A或B中间产品采用简单破碎或直接放入稀无机酸溶液中酸浸，由于酸浸时放出大量热，所以必要时需采用冷却措施，防止喷渍。酸浸的目的是溶解中间产品中含有的金属铝及其它金属杂质，随后浸入浓酸溶液(浓酸溶液的具体名称)中酸浸，以继续溶解铝及其它金属杂质，再浸入王水(3HCL:HNO3)中以溶解铜，金等不活泼金属杂质。得到含少许金属铝及微量金属杂质及极低磷的多晶硅粉末。