[实用新型]电子束熔炼与定向凝固技术耦合制备多晶硅的装置

说明书

技术领域

本实用新型属于多晶硅提纯领域，具体涉及一种电子束熔炼与定向凝固技术耦合制备多晶硅的装置。

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。例如，利用介质熔炼技术去除硅中的硼杂质，利用定向凝固去除硅中的金属杂质，利用电子束熔炼技术去除硅中的磷杂质，将三种熔炼工艺集成为一条工艺路线，经过三种工艺过程，从而得到太阳能级多晶硅。

电子束熔炼技术，作为冶金法工艺流程中的重要组成部分，能够有效去除硅中的高饱和蒸汽压杂质，如磷。定向凝固技术主要应用偏析原理，来去除硅中的低分凝系数的金属杂质元素。但目前，冶金法工艺过程中，电子束熔炼技术与定向凝固技术为两个独立的环节，一般是将定向凝固后的硅料，经过破碎、清洗过程后，所得到的硅料再放入电子束设备内进行再次熔炼，来去除硅中的磷杂质，或者先进行电子束熔炼再进行定向凝固。但在这个流程中，定向凝固涉及到硅料的熔化及凝固过程，定向凝固同样涉及到硅料的熔化及凝固过程，同时，前一步处理后的硅料，需要经过破碎、清洗、烘干过程再进行下一步，增加了整体投资，同时，整个流程的生产效率较低。

实用新型内容

根据以上现有技术的不足，本实用新型的目的是提出一种电子束熔炼与定向凝固技术耦合制备多晶硅的装置，通过将电子束熔炼和定向凝固有效结合，更加高效地去除硅中的磷杂质和金属杂质，同时，降低生产过程中的总能耗。

本实用新型所述的电子束熔炼与定向凝固技术耦合制备多晶硅的装置，包括炉体，炉体中设有电子束熔炼组件和定向凝固组件，其中：

电子束熔炼组件包括位于炉体内上部的带有水冷的熔化坩埚，该熔化坩埚一侧带有凹形熔化池，熔化池口至熔化坩埚的另一侧为向下倾斜的导流区域；位于熔化坩埚上方的炉体顶部通连有熔化用电子枪和熔炼用电子枪，位于熔化坩埚的熔化池一侧的炉体侧壁通连有送料机构，该送料机构的出料口位于熔化池上方；

定向凝固组件包括位于炉体下部的凝固坩埚，凝固坩埚向外依次包围设置有石墨发热体和保温套筒，凝固坩埚底部设置有与炉体底部通连的水冷拉锭旋转机构，其中，该凝固坩埚位于导流区域的倾泻口的下方，且倾泻口正下方位置相对应的保温套筒处开设有通孔。

其中，熔化坩埚优选为带有水冷的铜坩埚。采用铜坩埚是充分考虑到铜材料自身优异的导热性，从而防止电子束能量过高对熔化坩埚造成损害。

凝固坩埚优选为石英坩埚。对于凝固坩埚本身来说，即可以采用石墨坩埚，也可以采用石英坩埚，但是石墨坩埚杂质含量较高，会再次对硅料造成污染，如果在石墨坩埚表面喷涂涂层，则会增加生产成本。

导流区域内优选开设有导流凹槽，增加导流凹槽可以使硅液流动方向更加集中，便于熔炼用电子枪对其电子束熔炼。

本实用新型的工作过程如下：对电子束熔炼炉进行抽真空，然后通过送料机构向带有水冷的熔化坩埚内持续送料，通过熔化用电子枪对硅料进行熔化，不断增加的硅液达到熔化坩埚口时，通过导流的方式流入到电子束熔炼炉内的凝固坩埚，其中，硅液在导流区域内通过熔炼用电子枪进行电子束熔炼，在凝固坩埚内通过水冷拉锭旋转机构进行定向凝固。

具体按照以下步骤进行：