[发明专利]制备高纯度多晶硅的方法与装置

说明书

技术领域

本发明涉及多晶硅生产技术领域，尤其是一种制备高纯度多晶硅的方法与装置。

背景技术

太阳能级多晶硅是制备太阳能硅电池的必不可少的原料之一，其制备与提纯方法历来都是太阳能技术领域研究的一大热点。实际生产中，高纯度的太阳能级多晶硅一般是从工业硅料中提纯而得，采用的技术方法多种多样，其中定向凝固除杂技术是太阳能级多晶硅制备中最为常见也最为有效的方法之一，它将工业硅料放入铸锭炉的坩埚中熔化，通过控制坩埚内温度使硅料中的杂质在长晶的过程中定向排到硅锭头部，从而达到除杂的目的。

通过铸锭炉定向凝固后，硅料中的大部分杂质被排到硅锭的头部。但由于杂质较多，难熔杂质没有与硅液隔离开来，在长晶过程中，部分难熔杂质被包裹在硅锭中间，导致制得的硅锭中仍然残存有部分难熔杂质。如何除去这部分杂质已经成为定向凝固法硅料除杂的难点问题之一。

发明内容

为克服现有技术难以除去包裹在硅锭中的难熔杂质的缺陷，本发明提供一种制备高纯度多晶硅的方法与装置，本发明采用过滤除杂与定向凝固除杂相结合的方式，有效除去了硅料中的杂质，生产了高纯度的多晶硅，适合用于制备太阳能硅电池。

第一方面，本发明提供了一种制备高纯度多晶硅的方法，包括如下步骤：

提供过滤件，在过滤件上设置熔融状态的硅料，使所述熔融状态的硅料中的硅液与难熔杂质分离，得到纯化后的硅液；

将所述纯化后的硅液定向凝固结晶形成硅锭，得到高纯度的多晶硅。

在本发明中，原始的硅料中含有较多的杂质，被加热熔融后，熔融状态的硅料中包括了硅液、熔融的易熔杂质以及未被完全熔化的块状的难熔杂质，当熔融状态的硅料经过过滤件时，硅液和易熔杂质可从过滤件上的滤孔中流出，而难熔杂质则因体积较大无法穿过滤孔而被隔离在过滤件上，从而实现硅液与难熔杂质的分离；当纯化后的硅液定向凝固结晶时，其中的杂质因分凝系数小而被定向富集到硅锭的头部，从而进一步将硅料中的杂质与硅液分离，得到高纯度的多晶硅产品。

优选地，所述制备高纯度的多晶硅的方法，在所述将所述纯化后的硅液定向凝固结晶形成硅锭，得到高纯度的多晶硅后进一步包括：

降低硅锭温度进行退火，冷却后出炉，除去硅锭表面的杂质，得到高纯度的多晶硅。

更优选地，所述退火，退火温度为1400～400℃，退火时间为1～5小时。

其中，所述冷却后出炉，一般冷却至25～400℃即可出炉。

退火操作在多晶硅制备中虽非必须，但经过保温退火后再出炉，可以防止硅锭开裂；另外经退火后的硅锭，硅片的位错密度降低，电阻率和少子寿命下降。

优选地，所述过滤件为底部带有滤孔的坩埚或耐高温材料制成的滤网。

其中，所述坩埚或滤网上的滤孔的形状，可以根据工艺需要和制作方便，设定为圆形、椭圆形、正方形或长方形或其他不规则的形状。

优选地，所述坩埚和滤网上的滤孔为直径1～15mm的圆形通孔或边长1～15mm的任意多边形通孔。

更优选地，所述滤孔为直径10mm的圆形通孔或边长10mm的正方形通孔。滤孔的尺寸与除杂效果密切相关，滤孔的尺寸越小，除杂效果越好，但硅料熔化后，硅液的下漏速度慢，极易导致滤孔被堵死的情况。实际经验证明，直径或边长为10mm的滤孔可以达到较优的除杂效果。

优选地，所述耐高温材料为氮化硅、碳化硅或氧化硅。硅料中难熔杂质主要为氮化硅、碳化硅或氧化硅，滤网的材质为杂质本身，可充分利用杂质间的吸附作用，使得熔融状态硅料中的难熔杂质被团状杂质吸附，进一步提高了除杂效果。

其中，所述在过滤件上设置熔融状态的硅料的方式不限。

优选地，所述在过滤件上设置熔融状态的硅料进一步包括：在过滤件上方装载固体硅料，然后对过滤件进行加热使得硅料熔融，制得熔融状态的硅料；或

在另外一个坩埚内加热固体硅料，制得熔融状态的硅料，将该熔融状态的硅料浇铸至过滤件上。

上述两种方式中，加热制备熔融状态的硅料，加热温度不能过高，否则硅料中的难熔杂质也被熔化。优选地，所述加热制备熔融状态的硅料，加热温度为1441～1650℃。在该温度下，只有单质硅和少部分易熔杂质熔化，难熔杂质如碳化硅、氮化硅、氧化硅仍以固体的形式存在，这样有利于提高过滤效果。

更优选地，所述加热制备熔融状态的硅料，加热温度为1545～1650℃。这样既加快了熔料速度，提高了制备效率，又保证了过滤除杂的效果。