[发明专利]介质熔炼与初步定向凝固衔接提纯多晶硅的装置及方法

说明书

技术领域

本发明属于多晶硅提纯领域，具体涉及一种介质熔炼与初步定向凝固衔接提纯多晶硅的装置及方法。

背景技术

当今世界能源危机与环境污染压力并存，人们急需清洁、安全，可持续的新能源。太阳能作为满足这样要求的能源，一直都是人们追求的目标。人们对太阳能的使用最早是其热效应的利用，但难以完全满足现代社会的需要。直到半导体光电效应的发现，太阳能电池的制造，人们找到太阳能新的利用方式。硅作为太阳能电池的最理想原料，其中的杂质主要有Fe、Al、Ca等金属杂质和B、P等非金属杂质，而这些杂质元素会降低硅晶粒界面处光生载流子的复合程度，而光生载流子的复合程度又决定了太阳能电池的光电转换效率，所以有效的去除这些杂质在太阳能电池的应用方面有着至关重要的作用。

太阳能光伏产业的发展依赖于对硅原料的提纯，在冶金法提纯多晶硅的过程中包括介质熔炼、定向凝固、电子束提纯和铸锭工艺。冶金法因具备工艺简单、成本较低的优点极具发展潜力。诸多步骤中以介质熔炼要求设备最为简单，最容易工业化推广。因而介质熔炼最具现实的研究价值和应用前景。

传统的介质熔炼过程中，介质熔炼和定向凝固是两道不同的工艺，分别去除硼和其他金属杂质。定向凝固设备为真空设备，生产周期一般为40～60h，时间较长，定向凝固后的硅锭需要切除上部约20%的杂质富集区。常规生产中，两道工艺之间会经过凝固——熔化——再凝固的过程，这期间需要消耗大量热量，成本明显较高。

发明内容

根据以上现有技术的不足，本发明提出一种介质熔炼与初步定向凝固衔接提纯多晶硅的装置及方法，在单台中频感应炉中实现介质熔炼与初步定向凝固工艺全液态衔接，在去除硼杂质的同时，可以去除大部分金属杂质，使硅料达到4N水平，大大减轻后续工艺的提纯压力，无需对整体都完成定向凝固过程，使硅在液态下将杂质富集部分倒出，省去凝固之后的尾料去除过程，实现4N低硼硅料的直接获取。

本发明所述的一种介质熔炼与初步定向凝固衔接提纯多晶硅的装置，炉体内的石墨坩埚侧壁外依次安装有炉衬和感应线圈，在石墨坩埚底部安装有水冷水冷拉锭机构，且石墨坩埚和水冷拉锭机构都在炉衬包绕内，石墨坩埚顶部安装有与石墨坩埚内径和外径大小相同的补位石墨环。

补位石墨环的高度优选为200～500mm。

一种介质熔炼与初步定向凝固衔接提纯多晶硅的装置的方法，包括将硅料与渣剂反应进行介质熔炼，去除硅料中的硼杂质，介质熔炼结束后，采用底部水冷拉锭机构拉锭的方式，对硅液进行初步定向凝固，将硅液中的金属杂质聚集到顶部予以去除后，控制温度使硅锭完全熔化后倒出。

优选包括以下步骤：

（1）向石墨坩埚中加入渣剂质量的10～20%和全部硅料，控制加热功率至硅料全部熔化后，平均分2～5次加入剩余渣剂，控制感应线圈，使熔炼温度为1600～1800℃，熔炼后将上层渣剂全部倒入到耐热铸铁模具中；

（2）重复上述介质熔炼过程1～3次，每次加入的新渣剂分2～5次加入；

（3）熔炼结束后，将最后一次的渣剂质量的80～90%倒入耐热铸铁模具中；

（4）调节感应线圈，使熔炼温度为1450～1550℃后，进行初步定向凝固，控制石墨坩埚底部的水冷拉锭机构向下拉锭，同时上部加入补位石墨环；当硅液占硅料的10～20%时停止拉锭，快速上升水冷拉锭机构，使石墨坩埚恢复原位，取下补位石墨环后，将上层液体全部倒入铸铁模具中；

（5）控制功率至硅锭完全熔化后倒出。

优选方案如下：

步骤（1）中的渣剂为任意比例的氧化钙、氟化钙、二氧化钛、二氧化硅和硅酸钠的混合物。

步骤（1）和步骤（2）中的渣剂与硅料的比例为1/3～2/1。

步骤（1）和（5）中加热功率均为200～300kW。

步骤（1）和步骤（2）中的每次加渣后需熔炼20～30min。

步骤（4）中，设备功率为150～250kW。

步骤（4）中，水冷拉锭机构向下的拉锭速率为4～6cm/h，快速上升水冷拉锭机构的速度为10～20cm/min。

本发明所述的初步定向凝固不同于正常工艺中的定向凝固，一是不需要在真空条件下进行，对设备要求度不高；二是对除杂要求不高，只需要对金属杂质做初步去除，剩余的硅锭中仍保留一部分金属杂质。