一种制备高纯硅的硅电解槽及其硅的制备方法与流程

本发明涉及一种电解槽，尤其涉及一种熔盐电解法制备高纯硅的硅电解槽及其硅的制备方法。

背景技术：

硅是地壳上最丰富的半导体元素，是制备半导体和新型复合材料的重要原料。晶体硅在光、电等方面具有特殊的物理性质，使其在冶金、化工、微电子、光伏、太阳能等领域被广泛应用，其产量和用量也标志着一个国家的电子工业发展水平。晶体硅按纯度可以分为冶金级、太阳能级和电子级，其中冶金级硅是生产太阳能级和电子级硅的原料，不同纯度的晶体硅有不同的用途。晶体硅材料是光伏、太阳能和微电子领域的主要材料，市场占有率为80%～90%，因此降低原材料中硅材料的价格，对于促进相关领域的发展具有较大的促进作用。随着光伏、太阳能和微电子等领域的迅速发展，对太阳能级以上纯度的晶体硅需求量也原来越大。

目前，工业上生产太阳能级以上纯度晶体硅的主要方法有改良西门子法和硅烷法。改良西门子法生产晶体硅具有工艺成熟、产品纯度高等优点；然而该方法存在工艺复杂、投资大、能耗高、污染严重、生产成本高等缺点。硅烷法生产晶体硅具有反应温度低、分解速度快、转化率高、对设备腐蚀小等优点；然而该方法存在工艺复杂、生产成本高、易燃易爆、安全性差等缺点。上述两种晶体硅的工业生产制备方法，都存在一定的局限定，制约了晶体硅规模化和大型化生产，从而限制了晶体硅的广泛应用。

近年来，在新的晶体硅制备方法中，具有工艺简单、低能耗、操作方便等优点的熔盐电解法获得了研究人员和业界的广泛关注。熔盐电解法制备晶体硅是将固体sio2和金属制成阴极，石墨做阳极，在氯化物或氟化物的熔盐体系中，在低于金属熔点的温度和低于熔盐分解电压的条件下，通过电化学反应将sio2还原成晶体硅，而氧以离子形式进入熔盐体系中，迁移到石墨阳极放电并生成气体的过程，为了防止生成的晶体硅以及其他装置不被氧化，整个制备过程需要在保护性气氛下进行。目前，熔盐电解法制备晶体硅已经取得阶段性研究成果，但在规模化、大型化推广方面存在一定的难度，主要体现在熔盐气氛腐蚀、阴极极片预热、晶体硅制备、晶体硅冷却等工序中存在影响连续生产的问题。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题本发明提供一种制备高纯硅的硅电解槽及其制硅的备方法，目的是实现阴极极片预热、晶体硅制备、成品晶体硅冷却等工序连续化生产过程，同时可以防止熔盐气氛对电解槽相关部件的腐蚀。

为达上述目的本发明一种制备高纯硅的硅电解槽，包括设在同一层面的阴极预热室、中间操作室和晶体硅冷却室等三个操作室，在相邻的两个操作室之间设有折叠门，在中间操作室下方设有与其连通的电解反应室。在电解反应室内设有熔融电解质，在熔融电解质内设有阳极装置，阳极装置用于固定阳极极片，阳极极片通过阳极接线与直流供电系统正极连接。在熔融电解质的外侧设有内衬，内衬的外侧为槽壳。在阴极预热室、中间操作室和晶体硅冷却室内的上方设有轨道，轨道上设有移动的阴极移动装置，阴极移动装置上设有阴极母线，阴极母线下方通过阴极导杆连接阴极装置，阴极装置用于固定阴极极片。中间操作室上方设有阴极接线，生产时，阴极母线与阴极接线相连，阴极接线与直流供电系统负极相连。

三个操作室外侧设有上部密封罩。

三个操作室的上部密封罩顶部或侧部分别设有连通操作室内的保护气体排气装置、测温装置和气氛检测装置，每个操作室的上部密封罩的下部设有连通操作室内的保护气体进气装置。

在阴极预热室的底部设有预热装置。

在阴极预热室侧面设有进料门。

晶体硅冷却室的侧面设有出料门。

中间操作室的侧面设有熔盐进出料口。

内衬由石墨材料、耐火保温材料、加热元件和防渗层砌筑而成，其中由石墨材料砌筑电解反应室的槽膛；在石墨材料外侧砌筑用于槽膛保温的耐火保温材料，在耐火保温材料内镶嵌安装加热元件；在底部石墨材料下方和角部砌筑一层耐熔盐腐蚀的防渗层。

槽壳由型钢或钢板拼接而成。

阴极装置通过阴极导杆固定在阴极母线上，并在阴极移动装置的驱动下实现水平和垂直方向移动；单个阴极装置可以装载≥1组阴极极片，阴极极片为硅基材料。

阳极装置通过绝缘处理后的固定支架固定在槽壳上；单个阳极装置可以装载≥1组阳极极片，阳极极片为石墨材料。

一种高纯硅的制备方法，首先，在阴极预热室内将装载好一组或多组硅基阴极极片的阴极装置通过阴极导杆安装到阴极母线上，然后关闭进料门，通过阴极移动装置将阴极装置移动到预热装置上方，启动预热装置对硅基阴极极片进行预热。在硅基阴极极片达到预热温度后，打开阴极预热室内的保护气体排气装置和保护气体进气装置，在检测气氛满足要求后，开启与中间操作室之间的折叠门，阴极装置在阴极移动装置的驱动下进入中间操作室；待阴极装置完全进入中间操作室后，关闭折叠门和阴极预热室内的保护气体进气装置和保护气体排气装置。通过精确定位将阴极装置沉入熔融电解质内，使阴极极片插入到两个阳极极片之间，形成阳极－阴极－阳极的交错布置，关闭好两侧折叠门，连接阴极母线与阴极接线，通电后进入生产状态。在生产过程中，中间操作室内的保护气体排气装置和保护气体进气装置始终处于打开状态，待硅基阴极极片反应完毕，断开阴极母线和阴极接线，通过阴极移动装置提升阴极装置，将其移出熔融电解质，静置一段时间；打开晶体硅冷却室的保护气体排气装置和保护气体进气装置，待检测气氛满足要求后，开启折叠门，将阴极装置移动到晶体硅冷却室内进行冷却；待阴极装置完全进入晶体硅冷却室后，关闭折叠门。当达到冷却要求后，在晶体硅冷却室内卸下阴极装置，取出硅基阴极极片；取出硅基阴极极片后，关闭晶体硅冷却室的保护气体进气装置和保护气体排气装置。在一组或多组硅基阴极极片冷却时，另外一组或多组预热好的装有硅基阴极极片的阴极装置进入电解反应室内继续生产。

本发明的优点效果：

本发明的硅电解槽适用于以固体sio2作为原料，通过熔盐电解法制备高纯度的晶体硅；硅电解槽将阴极极片预热、晶体硅制备、晶体硅冷却等工序连成一体，避免了阴极极片的倒运和成品晶体硅冷却的二次氧化，提高了晶体硅的纯度；电解槽内衬的槽膛与保温材料、加热元件和防渗层隔离，避免了熔盐气氛对其的腐蚀，大大的增加了电解槽的使用寿命；阴极移动装置保证阴极极片在预热、反应、冷却过程中的连续性，提高了整个生产流程的自动化和机械化水平；将更换频率不高的阳极极片通过阳极装置的支架固定在槽壳上，提高了生产的连续性；同时在阴极极片反应、冷却等过程中充入保护气体，能有效的防止晶体硅二次氧化，且反应气体通过排气装置排出进行二次处理，污染小。采用本发明可以有效的解决熔盐气氛腐蚀、阴极极片预热、晶体硅制备、成品晶体硅冷却等工序中影响连续生产的问题，具有可规模化生产的应用价值；同时还具有工艺简单、操作方便、机械化和自动化程度高、环保节能等优点。

附图说明

图1为本发明主视图。

图2为本发明中间操作室和电解反应室的侧视图。

图中：1、内衬；2、槽壳；3、熔融电解质；4、上部密封罩；5、阴极装置；6、阳极装置；7、折叠门；8、阴极移动装置；9、阳极接线；10、阴极母线；11、预热装置；12、熔盐进出料口；13、保护气体进气装置；14、保护气体排气装置；15、测温装置；16、气氛检测装置；17、石墨材料；18、耐火保温材料；19、发热元件；20、防渗层；21、阴极极片；22、阳极极片；23、阴极预热室；24、中间操作室；25、电解反应室；26、晶体硅冷却室；27、轨道；28、阴极接线；29、阴极导杆；30、固定支架。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步详细描述，但本发明的保护范围不受实施例所限。

如图所示本发明一种制备高纯硅的硅电解槽，包括设在同一层面的阴极预热室23、中间操作室24和晶体硅冷却室26三个操作室，在相邻的两个操作室之间设有折叠门7，在中间操作室24下方设有与其连通的电解反应室25。在电解反应室25内设有熔融电解质3，在熔融电解质3内设有阳极装置6，阳极装置6用于固定阳极极片22，阳极极片22通过阳极接线9与直流供电系统正极连接。在熔融电解质3的外侧设有内衬1，内衬1的外侧为槽壳2。在阴极预热室23、中间操作室24和晶体硅冷却室26内的上方设有轨道27，轨道27上设有移动的阴极移动装置8，阴极移动装置8上设有阴极母线10，阴极母线10的下方通过阴极导杆29连接阴极装置5，阴极装置5用于固定阴极极片21。中间操作室24上方设有阴极接线28，生产时，阴极母线10与阴极接线28相连，阴极接线28与直流供电系统负极相连。

三个操作室外侧设有上部密封罩4，三个操作室的上部密封罩4顶部或侧部分别设有连通操作室内的保护气体排气装置14、测温装置15和气氛检测装置16，每个操作室的上部密封罩4的下部设有连通操作室内的保护气体进气装置13。

在阴极预热室23的底部设有预热装置11，在阴极预热室23侧面设有进料门。

晶体硅冷却室26的侧面设有出料门。

中间操作室24的侧面设有熔盐进出料口12。

内衬1由石墨材料17、耐火保温材料18、加热元件19和防渗层20砌筑而成，其中由石墨材料17砌筑电解反应室25的槽膛；在石墨材料17外侧砌筑用于槽膛保温的耐火保温材料18，在耐火保温材料18内镶嵌安装加热元件19；在底部石墨材料17下方和角部砌筑一层耐熔盐腐蚀的防渗层20。

槽壳2由型钢或钢板拼接而成。

阴极装置5通过阴极导杆29固定在阴极母线10上，并在阴极移动装置8的驱动下实现水平和垂直方向移动；单个阴极装置5可以装载≥1组阴极极片21，阴极极片21为硅基材料。

阳极装置6通过绝缘处理后的固定支架30固定在槽壳2上；单个阳极装置6可以装载≥1组阳极极片22，阳极极片22为石墨材料。

一种高纯硅的制备方法，首先，在阴极预热室23内将装载好一组或多组硅基阴极极片21的阴极装置5通过阴极导杆29安装到阴极母线10上，然后关闭进料门，通过阴极移动装置8将阴极装置5移动到预热装置11上方，启动预热装置11对硅基阴极极片21进行预热。在硅基阴极极片21达到预热温度后，打开阴极预热室23内的保护气体排气装置14和保护气体进气装置13，在检测气氛满足要求后，开启与中间操作室24之间的折叠门7，阴极装置5在阴极移动装置8的驱动下进入中间操作室24；待阴极装置5完全进入中间操作室24后，关闭折叠门7和阴极预热室内的保护气体进气装置13和保护气体排气装置14。通过精确定位将阴极装置5沉入熔融电解质3内，使阴极极片21插入到两个阳极极片22之间，形成阳极－阴极－阳极的交错布置，关闭好两侧折叠门7，连接阴极母线10与阴极接线28，通电后进入生产状态。在生产的过程中，中间操作室24内的保护气体排气装置14和保护气体进气装置13始终处于打开状态，待硅基阴极极片21反应完毕，断开阴极母线10和阴极接线28，通过阴极移动装置8提升阴极装置5，将其移出熔融电解质3，静置一段时间；打开晶体硅冷却室26的保护气体排气装置14和保护气体进气装置13，待检测气氛满足要求后，开启折叠门7，将阴极装置5移动到晶体硅冷却室26内进行冷却；待阴极装置5完全进入晶体硅冷却室26后，关闭折叠门7。当达到冷却要求后，在晶体硅冷却室26内卸下阴极装置5，取出硅基阴极极片21；取出硅基阴极极片21后，关闭晶体硅冷却室26的保护气体进气装置13和保护气体排气装置14。在一组或多组硅基阴极极片冷却时，另外一组或多组预热好的装有硅基阴极极片的阴极装置进入电解反应室内继续生产。