专利名称：高纯多晶硅的提纯系统及提纯方法
技术领域：
本发明涉及一种用于制备高纯多晶硅的提纯系统，及用该系统制备高纯多晶硅的 方法。
背景技术：
随着光伏产业的迅猛发展，生产晶体硅太阳电池的多晶硅原料需求量越来越大。 目前高纯多晶硅主要是由改良西门子法生产，该方法虽然获得的多晶硅纯度高，但生产过 程能耗过大，使其价格居高不下，不能满足太阳电池的低成本发展要求，阻碍了光伏发电的 普及。近年来，一些制备太阳能级多晶硅的新技术、新方法得到了快速发展，不仅包括炉外 精炼、真空精炼、湿法冶金、定向凝固等传统提纯工艺，还包括等离子束除硼和电子束除磷 等先进冶炼工艺。熔盐电解是制取轻金属的基本工业生产方法，也是唯一的方法。如镁、铝、钙、锂、 钠等金属都是用熔盐电解法制得的，其中铝、镁的熔盐电解已形成大规模工业生产。人们也 对熔盐电解法获取高纯硅进行了有益尝试，中国专利申请号200710065906. 1公开了一种 将废光纤预制棒(二氧化硅)熔盐电解还原生成高纯硅，然后联合真空精炼处理制备太阳 能级硅的方法。中国专利申请号200910084349. 7中提出一种高纯硅的制备方法，将工业硅 和高纯铜的混合粉料为阳极，以高纯铝为阴极进行熔盐电解，首先获得铝硅合金，然后采用 电磁感应熔炼、分步结晶、真空蒸馏提纯的组合方式获得高纯硅。以上两个专利采用了不同 熔盐电解方法，尽管最终获得的硅材料纯度较高，但电解过程效率太低，而且必须配合复杂 的后处理工艺，因此还不适合大规模的生产应用。电迁移提纯通常应用于稀土金属的提纯生产，但由于所需电流密度大、时间长，尚 未能用来大量提纯金属，目前仅在某些研究领域中制取小量超高纯金属。日本专利特开 平6-206719中介绍了一种硅的电迁移提纯方法，在不使用熔盐的情况下，将两个电极插入 熔融硅液中，通电后硅熔体中的杂质受电场作用分别向阳极和阴极区域聚集，一定时间后， 急速冷却两个电极，使电极附近富集杂质的硅液在电极上凝固，取出电极，从而起到除杂效 果。虽然此种方法在一定程度上能达到提纯的目的，但高温条件下操作复杂，只能在小型试 验装置上进行，很难在实际生产中使用，更无法实现连续的工业化生产，生产效率太低。
发明内容
为了解决上述已有技术存在的问题，本发明的目的是提出一种提纯高纯多晶硅的 提纯系统，及用该系统制备高纯多晶硅的方法。采用本发明的系统及制备方法可以实现高 纯多晶硅的大规模连续生产。本发明的高纯多晶硅的提纯系统包括置于密闭腔体中的硅料熔化装置、电迁移 装置和定向凝固装置。硅料熔化装置和电迁移装置通过第一溢流管连接，电迁移装置和定 向凝固装置通过第二溢流管连接。所述的硅料熔化装置由置于中频感应圈中的熔化坩埚组成，在熔化坩埚上方，密闭腔体顶面安置有真空加料装置。第一溢流管从熔化坩埚底部正中间伸入熔化坩埚内，伸入高度为熔化坩埚深度的1/3至2/3，第一溢流管的上端口安置有防止硅块落入溢流管的 分料锥，第一溢流管的下端穿过电迁移保温腔，熔化的硅液通过第一溢流管流入电迁移槽 的一端。所述的电迁移装置包括架空在电迁移保温腔中的电迁移槽，在电迁移槽长度方 向的相对两侧分别设置有电极板，通过导线与密闭腔体外的直流电源连接。电迁移槽的另 一端有三根横向均布的从迁移保温腔底部穿入电迁移槽内的溢流管，这三根溢流管的伸入 高度为电迁移槽深度的1/3至2/3，它们之间由固定在电迁移槽横向侧壁的分流挡板分隔， 其中中间的一根为收集高纯硅液的第二溢流管，两边的为收集高杂质浓度硅液的第三溢流 管，第三溢流管通向回收槽，第二溢流管通向定向凝固炉的凝固坩埚中，分流挡板的高度高 于伸入电迁移槽内溢流管的高度，分流挡板的长度为溢流管直径的2至3倍。所述的定向凝固装置由置于凝固保温腔中的升降平台，升降平台上置有凝固坩 埚，凝固坩埚四周设置有电阻加热器。升降平台由支撑杆支撑，由密闭腔体外的升降装置控 制。本发明的高纯多晶硅的提纯方法步骤如下A.首先对密闭腔体抽真空或通入保护性气体，通过加料装置向硅料熔化炉的熔化 坩埚加入硅料，同时对中频感应加热圈施加功率，使硅料熔化成硅液，并使硅液达到熔化坩 埚内的溢流管的高度，保持硅液温度稳定在1450 1600°C，使硅液具有良好的流动性。B.随后继续加入硅料，使硅液通过第一溢流管流入电迁移槽内，同时对电迁移槽 内的电极板施加电场，随着电迁移槽内硅液增多，当电迁移槽内液面达到电迁移槽内的溢 流管的高度时，使硅液中的电流密度达到1 lOOA/cm2，硅液温度维持在1450 1600°C。C.随着硅液从电迁移槽一端流入从另一端溢流管流出，在电迁移槽内会形成勻速 的定向流动，调节硅料加入速度，使硅液在电迁移槽内的停留时间达到10分钟以上，在直 流电场的作用下，硅液经电迁移作用后，经过分流挡板分流，中间纯度较高的硅液经第二溢 流管流入定向凝固炉的坩埚中进行铸锭，两边纯度较低的硅液经第三溢流管流入回收槽待 重新处理。D.在电迁移槽硅液流入定向凝固装置的定向凝固坩埚之前，调节电阻加热器将定 向凝固坩埚的温度加热至1420 1500°C，随着定向凝固坩埚内的硅液高度增加，驱动升降 装置，逐渐下降平台，使坩埚底部的温度降低，晶体从坩埚底部开始向上生长，调节加热功 率与坩埚下降速度，使晶体的生长速度为5 50mm/h。Ε.最后将定向凝固获得高纯的多晶硅锭，切去头部和尾部，以及四周与坩埚接触 的部分，余下部分可直接用于切片制作太阳电池。本发明的优点是1)提纯效果好，整个工艺不仅具有电迁移提纯作用，还具有定向凝固提纯作用。2)设备简单，整个工艺流程中所使用的设备均为普通设备，容易实现，投资规模 小。3)生产效率高，可以实现大规模连续生产。无繁琐操作，自动化程度高。4)无污染，整个流程没有废气、废水、废渣等产生，操作环境良好。
图1为本发明提纯系统的结构示意图；图2为图1中的电迁移槽的俯视图；图3为图2中电迁移槽的A-A剖面示意图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的具体实施方式
作进一步的详细说明见图1，本发明的高纯多晶硅的提纯系统包括置于密闭腔体1中的硅料熔化装置2、电迁移装置3和定向凝固装置4。硅料熔化装置和电迁移装置通过第一溢流管21连接， 电迁移装置和定向凝固装置通过第二溢流管31连接。所述的硅料熔化装置由置于中频感应圈22中的熔化坩埚23组成，在熔化坩埚上 方，密闭腔体1的顶面安置有真空加料装置5。第一溢流管21从熔化坩埚底部正中间伸入 熔化坩埚内，伸入高度为熔化坩埚深度的1/3至2/3，第一溢流管的上端口安置有防止硅块 落入溢流管的分料锥51，第一溢流管21的下端伸入电迁移保温腔32，熔化的硅液通过第一 溢流管流入电迁移槽33的一端。所述的电迁移装置3包括架空在电迁移保温腔32中的电迁移槽33，在电迁移槽 的长度方向的相对两侧分别设置有电极板34，通过导线与密闭腔体1外的直流电源(图1 中未画出)连接。电迁移槽33的另一端有三根横向均布的从电迁移保温腔32底部穿入电 迁移槽内的溢流管，这三根溢流管的伸入高度为电迁移槽深度的1/3至2/3，它们之间由固 定在电迁移槽横向侧壁的分流挡板35分隔，其中中间的一根为收集高纯硅液的第二溢流 管31，两边为收集高杂质浓度硅液的第三溢流管36，第三溢流管通向回收槽37，第二溢流 管通向定向凝固装置4的凝固坩埚41上方，分流挡板35的高度要高于电迁移槽内溢流管 高度，分流挡板的长度为溢流管直径的2至3倍。电极板34采用高纯石墨制成，电极板与 硅液流动方向平行。本发明的电迁移装置所起的作用是在缓慢流动的熔融硅液上施加一个与流动方 向垂直的水平直流电场。在硅液流动的同时，杂质在电场的作用下向两侧的电极区域迁移， 即阳离子或具有阳离子特性的杂质(以下统称为阳离子杂质)向阴极方向迁移，阴离子或 具有阴离子特性的杂质(以下统称为阴离子杂质)向阳极方向迁移，从而在垂直硅液流向 的截面上形成两侧浓度高、中间浓度低的杂质分布状态。采用分流挡板将中间纯净的硅液 与两侧杂质含量高的硅液分开，使它们分别流入不同的容器，达到提纯硅的目的。所述的定向凝固装置4包括置于凝固保温腔42中的周围置有电阻加热器44的 凝固坩埚41，凝固坩埚41置于升降平台43上，升降平台由支撑杆45支撑，由密闭腔体外的 升降控制装置46控制。本发明的提纯方法主要包括三个方面1)控制硅液流速将需要提纯的硅料置于硅料熔化装置内加热熔化，采用中频感 应加热的方式将硅块速熔化，硅液温度稳定在1450 1600°C，使其保持良好的流动性。逐 渐添加硅料，使硅液通过溢流管流入电迁移槽一端，在电迁移槽内形成硅液的定向流动。通 过调节加料速度来控制硅液在电迁移槽的流速，硅液从电迁移槽一端流入，从另一端的溢 流管流出，停留时间不能少于10分钟，对于1米长的电迁移槽来说，硅液的流动速度应小于0. 1米/分钟。2)控制电场强度在电迁移槽两侧平行于硅液流动方向设置电极，连接直流电 源，使硅液中形成垂直硅液流动方向的水平电场。电场强度的大小根据电迁移槽形状、保温 性能等具体条件而定，一般电流密度控制在1 lOOA/cm2之间，保证电流在硅液中产生的 焦耳热足够维持硅液温度，并使其具有良好的流动性。3)分流阳离子杂质和阴离子杂质在强电场作用下分别向电迁移槽两侧的阴极 和阳极方向迁移，并在电极附近富集。当硅液经过一段时间的电迁移作用流到接近溢流口 时，采用分流挡板将中间的高纯硅液与两侧的高杂质浓度硅液分开，使高纯硅液通过溢流 管流入定向凝固装置的坩埚中进行铸锭，高杂质浓度硅液流入回收容器，待回收处理。
权利要求
一种高纯多晶硅的提纯系统，包括置于密闭腔体(1)中的硅料熔化装置(2)、电迁移装置(3)和定向凝固装置(4)，其特征在于硅料熔化装置和电迁移装置通过第一溢流管(21)连接，电迁移装置和定向凝固装置通过第二溢流管(31)连接；所述的硅料熔化装置(2)由置于中频感应圈(22)中的熔化坩埚(23)组成，在熔化坩埚上方，密闭腔体(1)的顶面安置有真空加料装置(5)；第一溢流管(21)从熔化坩埚底部正中间伸入熔化坩埚(23)内，伸入高度为熔化坩埚深度的1/3至2/3，第一溢流管的上端口安置有防止硅块落入溢流管的分料锥(51)，第一溢流管(21)的下端伸入电迁移保温腔(32)，熔化的硅液通过第一溢流管流入电迁移槽(33)的一端；所述的电迁移装置(3)包括架空在电迁移保温腔(32)中的电迁移槽(33)，在电迁移槽的长度方向的相对两侧分别设置有电极板(34)，通过导线与密闭腔体(1)外的直流电源连接；电迁移槽(33)的另一端有三根横向均布的从电迁移保温腔(32)底部穿入电迁移槽(33)内的溢流管，这三根溢流管的伸入高度为电迁移槽深度的1/3至2/3，它们之间由固定在电迁移槽横向侧壁的分流挡板(35)分隔，其中中间的一根为收集高纯硅液的第二溢流管(31)，两边为收集高杂质浓度硅液的第三溢流管(36)，第三溢流管通向回收槽(37)，第二溢流管通向定向凝固装置(4)的凝固坩埚(41)中，分流挡板(35)的高度高于第二溢流管的高度，分流挡板的长度为溢流管直径的2至3倍；所述的定向凝固装置(4)包括置于凝固保温腔(42)中的周围置有电阻加热器(44)的凝固坩埚(41)，凝固坩埚(41)置于升降平台(43)上，升降平台由支撑杆(45)支撑，由密闭腔体外的升降控制装置(46)控制。
2.一种高纯多晶硅的提纯方法，其特征在于步骤如下A.首先对密闭腔体(1)抽真空或通入保护性气体，通过加料装置(5)向硅料熔化装置 (2)的熔化坩埚(23)加入硅料，同时对中频感应加热圈(22)施加功率，使硅料熔化成硅液， 并使硅液达到熔化坩埚内的第一溢流管(21)的高度，保持硅液温度稳定在1450 1600°C， 使硅液具有良好的流动性；B.随后继续加入硅料，使硅液通过第一溢流管(21)流入电迁移槽(33)内，同时对电迁 移槽内的电极板(34)施加电场，随着电迁移槽内硅液增多，当电迁移槽内液面达到电迁移 槽内的溢流管的高度时，使硅液中的电流密度达到1 lOOA/cm2，维持硅液温度在1450 1600 0C ；C.硅液从电迁移槽一端流入从另一端溢流流出，在电迁移槽内形成勻速的定向流动， 调节硅料加入速度，使硅液在电迁移槽内的停留时间达到10分钟以上，在直流电场的作用 下，硅液经电迁移作用后，经过分流挡板分流，中间纯度较高的硅液经第二溢流管(31)流 入凝固坩埚(41)中进行铸锭，两边纯度较低的硅液经第三溢流管(36)流入回收槽(37)待 重新处理；D.在电迁移槽硅液流入定向凝固装置(4)的定向凝固坩埚(41)之前，调节电阻加热 器(44)，温度加热至1420 1500°C，随着定向凝固坩埚内的硅液高度增加，驱动升降装置 (46)，使平台(43)逐渐下降，使坩埚底部的温度降低，晶体从坩埚底部开始向上生长，调节 加热功率与坩埚下降速度，使晶体的生长速度为5 50mm/h ；E.最后将定向凝固获得高纯的多晶硅锭，切去头部和尾部，以及四周与坩埚接触的部分，余下部分可直接用于切片制作太阳电池 。
全文摘要
本发明公开了一种高纯多晶硅的提纯系统及用该系统制备高纯多晶硅的方法，该系统包括置于密闭腔体中的硅料熔化装置、电迁移装置和定向凝固装置。硅料熔化装置和电迁移装置通过第一溢流管连接，电迁移装置和定向凝固装置通过第二溢流管连接。该方法的特征是对熔融硅液施加一个垂直于硅液流动方向的水平直流电场，在电场作用下，硅液中阳离子杂质和阴离子杂质分别向阴极和阳极方向迁移，并在两侧电极区域聚集，利用分流挡板使高杂质浓度硅液和高纯硅液分开，并将高纯硅液进行定向凝固铸锭，最终获得高纯多晶硅锭。本发明的优点是可以实现高纯硅的大规模连续提纯生产，具有提纯效果好、设备简单、投资少、生产成本低的优点。
文档编号C30B29/06GK101824650SQ201010177389
公开日2010年9月8日 申请日期2010年5月20日 优先权日2010年5月20日
发明者徐璟玉, 戴宁, 熊斌, 胡建锋, 蒋君祥, 褚君浩 申请人:上海太阳能电池研究与发展中心