[发明专利]一种电子束熔炼多晶硅除氧与连续铸锭的方法及设备

说明书

技术领域

本发明属于冶金熔炼领域，特别涉及一种电子束熔炼多晶硅除杂与连续铸锭的方法，另外还涉及其设备。

背景技术

目前，我国已成为世界能源生产和消费大国，但人均能源消费水平还很低。随着经济和社会的不断发展，我国能源需求将持续增长，针对目前的能源紧张状况，世界各国都在进行深刻的思考，并努力提高能源利用效率，促进可再生能源的开发和应用，减少对进口石油的依赖，加强能源安全。

作为可再生能源的重要发展方向之一的太阳能光伏发电近年来发展迅猛，其所占比重越来越大。根据《可再生能源中长期发展规划》，到2020年，中国力争使太阳能发电装机容量达到1.8GW（百万千瓦），到2050年将达到600GW。预计到2050年，中国可再生能源的电力装机将占全国电力装机的25%，其中光伏发电装机将占到5%。预计2030年之前，中国太阳能装机容量的复合增长率将高达25%以上。

太阳能光伏产业的发展依赖于对多晶硅原料的提纯。多晶硅原料的提纯工艺目前主要依赖以下几种工艺：西门子法、硅烷法、气体流化床法和冶金法。冶金法制备太阳能级多晶硅技术作为发展低成本、环境友好的太阳能级多晶硅制备技术的必经之路，目前已经取得了长足发展，并实现了工业化生产。冶金法提纯多晶硅是指采用物理冶金手段，在硅不参与发生化学反应的情况下，依次去除硅中的各种杂质元素(磷、硼及金属)的方法，它不是单一的制备方法，而是一种集成法，主要利用饱和蒸汽压原理、偏析原理及氧化性差异原理，分别采用不同的工艺方法，来去除硅中的杂质元素，从而得到满足太阳能多晶硅纯度要求的硅料。

在冶金法工艺中，硅料的磷、硼、金属等杂质均可通过有效的工艺手段去除，达到了较理想的效果。但是，近年来，在对多晶硅太阳能电池片光电转化效率的研究中发现，氧元素的含量对电池片的光电转化效率产生重要影响，一般氧处于间隙位置时，通常不显电活性，然而铸造多晶硅中氧浓度通常在3×10¹⁷～1.4×10¹⁸cm^-3之间，高浓度的间隙氧在随后的器件制造工艺过程中，经历各种温度的热处理，会在硅晶体中偏聚和沉淀，形成氧关施主、氧沉淀等缺陷。同时，在硅晶体材料生长、冷却的过程中由于氧的溶解度随温度降低而迅速下降，过饱和的氧将在铸造多晶硅中形成原生氧沉淀，也可能与其它杂质形成各种各样的复合体，如N-O、C-O复合体。这些氧沉淀及其复合体不仅会降低磷外吸杂的效果，甚至直接成为电池的短路通道。

这些氧缺陷对硅材料和器件具有有利和不利两方面的影响，它可以结合器件工艺形成内吸杂，吸除金属杂质，还可以钉扎位错，提高硅片的机械强度，但当氧沉淀过量时又会诱生其它的晶体缺陷，引入大量的二次缺陷，还会吸引铁等金属元素，形成铁氧沉淀复合体，具有很强的少子复合能力，能够显著降低材料的太阳能电池转换效率。

在冶金法的定向凝固、铸锭等工艺中，坩埚中的氧元素或通入气体中的氧元素不可避免地会进入到硅料中，是氧杂质产生的主要原因。传统的测试硅中氧含量的普遍方法为红外光谱，用红外光谱分别对高纯硅料与混料（铸铸后的边角料与高纯料混合）进行检测，两种料中氧的含量相差不大，这也导致了冶金法工艺中引入的氧杂质未受到重视。

实际上，在硅中，氧元素有两种状态：替代位，即氧代替了硅的位置；间隙位，即氧在硅原子的间隙中。传统的测试硅中氧含量的红外光谱只能检测间隙位的氧含量，不能真实反映两种硅料中的氧含量水平。经申请人的实验测试，替代位的氧会释放电子，与硅中杂质磷产生的作用相似，能够影响多晶硅电池片光电转化效率。申请人通过二次离子质谱仪多次检测，在上述两种硅料中，氧元素含量相差很大，主要是替代位的氧元素含量的差别。因此，对于铸锭等工艺中引入的杂质氧不能忽视，必需寻求有效的手段降低硅中杂质氧的含量。

但是，现有技术中，对氧元素的去除效果不佳。对于氧杂质的去除方法，检索到发明专利CN200810070925一种降低金属硅中氧、碳含量的方法，该发明采用在硅液中吹入氧气、氢气和水蒸气，使氢气和氧气在硅液中反应产生局部高温，使硅液中的氧、碳元素随气体排放而去除，但是该方法需要在硅熔融状态下通入氧气和氢气，操作难度大，危险性高，氧的去除效果不佳。

同时，有效降低多晶硅铸锭原料中氧含量之后，即可通过定向长晶工艺获得多晶硅铸锭，但是之前的铸锭方法都是直接加热铸锭原料，用时长，能耗大，铸锭单炉进行，不能实现连续铸锭，需要反复抽取真空，能耗也较大。

发明内容