[发明专利]一种多晶硅还原炉

说明书

本发明公开了一种多晶硅还原炉，采用新颖的直流‑交流混合加热方式，当硅棒直径小于14cm时，采用直流电加热；当硅棒直径大于14cm时，改为交流电加热。本发明解决了传统加热方式下因硅棒中心温度过高而发生的熔硅、因热应力的作用而产生的倒棒问题，从而提升还原炉运行的可靠性，增强多晶硅生产的稳定性，提高多晶硅的生产效率。并且应用交流电加热的趋肤效应，可增大硅棒的最大沉积半径，从而增大多晶硅的单炉产量，降低单位能耗，达到降低能耗、减少生产成本的目的。

技术领域

本发明涉及一种多晶硅还原炉，属于多晶硅生产领域。

背景技术

能源的缺乏和环境的恶化给经济发展提出了巨大挑战，随着全球范围内传统能源的枯竭以及石油价格的不断攀升，可再生新能源的发展已迫在眉睫。太阳能因清洁环保、安全可靠、储量丰富等独特优势是解决未来可持续发展、能源、环境和全球变暖问题的重要途径。目前，光伏发电是当今世界利用太阳能最主要的一种方式，多晶硅用于太阳能光伏行业的占90%，用于半导体材料的占8%，用于其他领域的占2%。

多晶硅的生产方法主要有：西门子法、流化床法、锌还原法、冶金法、碳热还原法等。流化床法具有分解速度快、分解率高、分解温度低、能耗低、转化率高、副产物少等优点，该法占多晶硅总产量的24%，但是该工艺面临着两个急需解决的挑战：硅粉的形成和加热元件上硅的沉积。其他工艺生产的太阳能级多晶硅达不到总市场1%的份额，值得注意的是冶金法由于其生产成本低、环境友好、生产操作较安全、能耗低等优点，曾经得到了广泛的关注和研究，但是其产品质量至今仍然无法得到光伏市场的认可。改良西门子法由工艺成熟、产品纯度高等绝对优势，是当前生产多晶硅的主要工艺，占多晶硅总产量的75%，但是高能耗、高生产成本是影响其在多晶硅产业竞争力的主要问题。

我国多晶硅生产技术以改良西门子工艺为主，改良西门子工艺主要核心生产设备是西门子反应器。经过精馏提纯后的三氯氢硅和氢气在西门子反应器内发生化学气相沉积（CVD）过程是改良西门子工艺的关键工段，该过程是在含有细的高纯硅棒的钟罩式反应器中进行。高纯三氯氢硅（TCS）和氢气的混合物经过预加热后通入钟罩反应器中，在反应器中TCS与氢气反应生成硅。

上述方法是通过向硅棒通入电流的方式来加热硅棒以达到反应所需的温度（1323-1423K）。现有工业生产中的还原炉所用的电源是以硅棒电阻为负载的加热电源，通常使用低频交流电（50Hz）或直流电调压器，从而产生高达2000A的电流加热硅棒，三氯氢硅热分解沉积过程中，随着多晶硅在硅棒表面的不断沉积，硅棒直径也越大。随着硅棒直径的增大，硅棒内部温度梯度越大，即硅棒内外温差也越大。硅棒表面温度控制在1323-1423K，因此硅棒的中心温度逐渐变大。当硅棒内部温度达到硅棒熔点（1414℃），就会发生熔硅现象。并且由于越来越大的温度梯度导致越大的热应力，会导致硅棒会发生断裂，产生倒棒现象。

发明内容

为了克服硅棒中心温度过高而发生的熔硅、因热应力的作用而产生的倒棒以及西门子还原炉高能耗、高生产成本的缺点，本发明提供了一种可靠性高、生产效率高的改进的多晶硅还原炉。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种多晶硅还原炉，包括炉体、底盘、石墨卡槽、电极、硅棒、直流电源和交流电源；炉体与底盘固定连接构成一个中空的钟罩式腔室；炉体外层和底盘分别设有冷却水夹套，冷却水入口和冷却水出口分别设于炉体和底盘两侧；多对硅棒通过设置在底盘上的石墨卡槽固定在炉体内；每对硅棒分别连接成“U”型，两端分别与电极的正负极连接，构成一个循环；多对硅棒分为两部分，以底盘中心为中心均匀分布，一部分靠近炉体边缘沿周向均匀排布组成非连续的“外环”，另一部分靠近中心沿周向均匀排布组成非连续的“内环”或呈放射状均匀排布；电极一端与硅棒连接，另一端通过导线与直流电源和交流电源连通，导线上设有控制开关；组成“外环”的硅棒与组成“内环”或呈放射状排布的硅棒分别独立供电；底盘上设有一个以上的进气口和一个以上的出气口；炉体上设有多个观察窗。