[发明专利]一种凝固坩埚旋转式电子束熔炼提纯多晶硅的方法及设备

说明书

技术领域

    本发明属于用物理冶金技术提纯多晶硅的技术领域，特别涉及一种电子束熔炼提纯多晶硅的方法，另外还涉及其设备。

背景技术

太阳能级多晶硅材料是最主要的光伏材料，它应用于太阳能电池，可以将太阳能转化为电能，在常规能源紧缺的今天，太阳能具有巨大的应用价值，近年来，全球太阳能光伏产业迅速增长，太阳能电池产量快速增加，直接拉动了多晶硅需求的急剧膨胀。但太阳能级多晶硅材料高昂的制造成本以及复杂的制造工艺是制约光伏产业大发展的瓶颈，严重阻碍了我国太阳能电池的推广和使用。我国能够自主生产的太阳能级多晶硅不足需求的5%，绝大部分原材料需要进口，开发适合我国国情的太阳能级多晶硅制备技术符合国家能源战略的要求，是我国光伏产业大发展的必由之路。

为此，世界各国都在积极开发具有生产周期短、污染小、成本低、工艺相对简单、规模大小可控的制备高纯硅材料的新工艺方法，而冶金法由于具备以上优点，被认为是最能有效地降低多晶硅生产成本的技术之一，目前已成为世界各国竞相研发的热点。电子束熔炼技术是冶金法制备太阳能级多晶硅中重要的方法之一，它是利用高能量密度的电子束作为熔炼热源的工艺方法，一般的电子束熔炼方法是通过熔化块体硅料形成熔池后，在电子束产生的高温下，利用表面蒸发效应，有效去除饱和蒸汽压较高的杂质如磷，铝等，然而，所见文献集专利中的电子束提纯多晶硅一般是在完成一次熔炼之后，将凝固后的铸锭取出，再进行下一次熔炼，这样必须重复抽取腔室的真空和电子枪预热，这不仅增加了多次熔炼的时间，而且加大了能耗，如电力、设备损耗等，造成生产效率降低，同时在以前的电子束熔炼多晶硅过程中，不能实现连续加料和连续出料，增大了生产成本，不利于工业化生产。

发明内容

本发明为克服上述不足问题，提出一种凝固坩埚旋转式电子束熔炼提纯多晶硅的方法，使用多个凝固坩埚来盛装熔炼完成的硅液，使前一次提纯的熔融硅液在下一次熔炼过程中连续冷却，减少了多次熔炼的整体提纯时间，降低了抽真空和电子枪预热的次数，提高了生产效率，本发明的另一目的是提供凝固坩埚旋转式电子束熔炼提纯多晶硅的设备，结构紧凑，易于操作，安全可控，生产效率高。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种凝固坩埚旋转式电子束熔炼提纯多晶硅的方法，其特征是：先在真空条件下使用电子束将熔炼坩埚中的高磷硅料加热至完全熔化成硅熔体，持续熔炼使硅熔体中挥发性杂质充分挥发得到低磷硅熔体，之后将低磷硅熔体通过硅液倒料口倾倒入凝固坩埚中进行凝固；倾倒完毕后将熔炼坩埚复原，向熔炼坩埚中添加高磷硅料，使用电子束熔炼提纯熔炼坩埚中的高磷硅料，待熔炼提纯完成后将低磷硅熔体倒入凝固坩埚中进行凝固，重复上述装料、熔炼提纯和倾倒的工序，直到凝固坩埚装满；将另一个空的凝固坩埚旋转至硅液倒料口下方，重复上述装料、熔炼提纯和倾倒的工序，直到该凝固坩埚装满；重复上述装满凝固坩埚和旋转另一个空的凝固坩埚至硅液倒料口下方的工序，直至所有凝固坩埚装满，待所有凝固坩埚中低磷硅熔体凝固成铸锭后取出，得到低磷多晶硅铸锭。

具体步骤如下：

第一步备料、前处理：首先利用送料带将装料箱中的高磷硅料输送至熔炼坩埚中，至硅料填充熔炼坩埚体积的90~95%，开启真空泵组，将腔室中真空度抽至5×10^-2Pa以下；预热电子枪，设置高压为30-32kV，高压稳定5-10min后，关闭高压，设置电子枪束流为100-200mA，进行预热，预热10-15min后，关闭电子枪束流；

第二步熔炼提纯：同时打开电子枪的高压和束流，待电压、电流稳定后，使电子枪以200-700mA的束流轰击熔炼坩埚上的高磷硅料，形成稳定的硅熔池；然后，调节电子枪束流大小，使束流维持在300-1200mA，持续熔炼30-120min，硅熔体中挥发性杂质充分挥发得到低磷硅熔体，之后将低磷硅熔体通过硅液倒料口倾倒入凝固坩埚中进行凝固；倾倒完毕后将熔炼坩埚复原，向熔炼坩埚中添加高磷硅料，使用电子束熔炼提纯熔炼坩埚中的高磷硅料，待熔炼提纯完成后将低磷硅熔体倒入凝固坩埚中进行凝固，重复上述装料、熔炼提纯和倾倒的工序，直到凝固坩埚装满；将另一个空的凝固坩埚旋转至硅液倒料口下方，重复上述装料、熔炼提纯和倾倒的工序，直到该凝固坩埚装满；重复上述装满凝固坩埚和旋转另一个空的凝固坩埚至硅液倒料口下方的工序，直至所有凝固坩埚装满；

第三步取锭：待所有凝固坩埚中低磷硅熔体凝固成铸锭后停止对腔室抽真空，打开放气阀放气，取出铸锭，得到低磷多晶硅铸锭。

所述高磷硅料中磷的含量为10-80ppmw。