電子束分次誘導凝固去除硅中金屬雜質的方法技術

本發明專利技術涉及電子束分次誘導凝固去除硅中金屬雜質的方法，屬于多晶硅提純技術領域。本發明專利技術包括以下步驟：硅料熔化；硅液傾倒；誘導定向凝固；固液分離：將照射凝固坩堝的電子槍功率升高，使硅表層附近高雜質濃度區域再次熔化；迅速將照射凝固坩堝的電子槍關閉，將凝固坩堝傾斜，使熔化的硅液傾倒進入廢液坩堝中，之后將凝固坩堝恢復水平位置；本發明專利技術利用電子束分次誘導硅定向凝固，每一次硅料熔化、硅料熔煉、硅液傾倒、誘導定向凝固、固液分離為一個獨立過程，通過誘導凝固將金屬雜質富集在末端液相區，再通過傾倒的方式實現固液分離，獲得的硅錠金屬雜質去除效果好。

【技術實現步驟摘要】
電子束分次誘導凝固去除硅中金屬雜質的方法
本專利技術涉及電子束分次誘導凝固去除硅中金屬雜質的方法，屬于多晶硅提純

技術介紹
隨著傳統能源的大量消耗以及人類對能源需求的持續增長，以太陽能為代表的可再生能源將在未來發揮越來越重要的作用。多晶硅材料是太陽能產業的基礎原材料，可以將太陽能直接轉換為電能。隨著太陽能光伏產業的高速發展，光伏裝機容量不斷增加，對多晶硅材料的需求也急劇增長，預計2020年全球多晶硅需求量將超過30萬噸，比2012年翻一番。硅中含有大量的雜質，需要被去除到很低的程度才能達到太陽能電池的性能要求，因此在光伏產業鏈中，多晶硅提純技術是一個重要的環節，對硅材料的電學性能有重要影響。電子束熔煉是去除硅中雜質的重要手段，熔煉過程分為兩個步驟：首先，利用電子束對熔煉坩堝中的多晶硅進行熔煉，蒸汽壓比硅大的雜質被蒸發去除；然后，利用金屬雜質的分凝效應將其富集在最后凝固區域，再通過去除該高雜質區域即可獲得符合要求的硅材料。一種電子束誘導定向凝固除雜的方法(專利號ZL201210289971.3)專利技術了一種電子束誘導硅定向凝固去除金屬雜質的方法，將硅料熔化蒸發除雜后，通過緩慢降低電子束流，使其以恒定的速率定向凝固，雜質向熔體頂部富集，待電子束功率降低到一定程度關閉電子束。冷卻后將硅錠頂部鋁、鈣含量較高的部分切除，即可得到低鋁，低鈣的多晶硅鑄錠。使用該技術，需要切除的區域較多，降低了生產效率，也造成硅材料的浪費。雖然硅錠切割后剩余的區域已經符合對雜質含量的要求，但是由于整個硅錠在溫度場的控制下自下而上定向凝固，雜質在整個硅錠中顯示出分凝效果，從硅錠底部到頂部雜質含量是增加的趨勢，均勻性不好，也會造成產品不同位置的性能差異。
技術實現思路
本專利技術的目的在于克服現有電子束誘導凝固去除硅中金屬雜質的方法存在的上述缺陷，提出了電子束分次誘導凝固去除硅中金屬雜質的方法。本專利技術是采用以下的技術方案實現的：一種電子束分次誘導凝固去除硅中金屬雜質的方法，其特征在于：包括以下步驟：A.原料預處理：多晶硅原料經清洗、烘干，裝入熔煉坩堝中；B.預熱電子槍：電子束爐抽真空，預熱電子槍，電子槍分別照射熔煉坩堝和凝固坩堝；C.硅料熔化：啟動電子槍熔化硅料，電子槍功率逐步增大到250-300kW,保持該功率使熔煉坩堝內的硅料完全熔化；D.硅料熔煉：電子槍功率繼續保持250-300kW熔煉硅料；E.硅液傾倒：關閉照射熔煉坩堝的電子槍，將熔煉坩堝中的硅液傾倒進入凝固坩堝中；F.誘導定向凝固：將照射凝固坩堝的電子槍功率梯度降低，使硅液中保持單向溫度梯度，硅液自下而上定向凝固，直至硅完全凝固；G.固液分離：將照射凝固坩堝的電子槍功率升高，使硅表層附近高雜質濃度區域再次熔化；迅速將照射凝固坩堝的電子槍關閉，將凝固坩堝傾斜，使熔化的硅液傾倒進入廢液坩堝中，之后將凝固坩堝恢復水平位置；H.連續熔煉：向熔煉坩堝中加入新料，重復步驟C至步驟G，直到凝固坩堝中硅錠的重量達到所需的要求；I.冷卻：冷卻后取出凝固坩堝中已提純的硅錠。所述步驟F中將照射凝固坩堝的電子槍功率梯度降低直至降低到0kW。所述步驟F中照射凝固坩堝的電子槍功率梯度降低是指2min-10min降低30kW-50kW。所述步驟G中照射凝固坩堝的電子槍功率升高至50-100kW。所述步驟A中在凝固坩堝底部鋪上一層厚度為3mm-5mm的硅料，在凝固坩堝底部鋪上一層厚度為3mm-5mm的硅料。所述步驟B中電子槍有三把，兩把電子槍照射熔煉坩堝，另一把電子槍照射凝固坩堝。所述步驟C中，照射熔煉坩堝的兩把電子槍每隔2min-10min功率增加30kW-50kW，逐漸增加到250-300kW，照射凝固坩堝的電子槍每隔2min-10min功率增加30kW-50kW，逐漸增加到150kW。所述步驟D中照射熔煉坩堝的電子槍功率保持250-300kW熔煉硅料10-30min。所述步驟E中硅液傾倒后將照射凝固坩堝的電子槍功率增加到250-300kW。所述步驟I中的廢液坩堝中的硅錠，可以回收再利用。所述步驟C中的電子槍功率逐步增大到250-300kW，保持該功率使熔煉坩堝內的硅料完全熔化。本專利技術提供了一種電子束分次誘導凝固去除硅中金屬雜質的方法，在凝固坩堝中進行多次誘導凝固和固液分離。當硅原料在熔煉坩堝中熔煉一定時間后，傾倒進入凝固坩堝中進行誘導定向凝固，并將頂部高雜質濃度的硅液分離出去。重復該熔煉、傾倒、誘導凝固、固液分離過程，直到獲得所需重量的硅錠。相對于現有技術，本專利技術的有益效果是：(1)本專利技術利用電子束分次誘導硅定向凝固，每一次硅料熔化、硅料熔煉、硅液傾倒、誘導定向凝固、固液分離為一個獨立過程，每次凝固過程不受前后凝固環節的影響，整個過程是每次誘導凝固的疊加，通過誘導凝固將金屬雜質富集在末端液相區，再通過傾倒的方式實現固液分離，獲得的硅錠金屬雜質去除效果好；(2)本專利技術的利用電子束分次誘導硅定向凝固方法去除硅中金屬雜質，使硅錠中的雜質含量滿足要求且分布均勻，產品品質穩定；(3)本專利技術無需切割環節，減少了生產工序，提高了生產效率。附圖說明圖1是電子束分次誘導凝固過程示意圖。圖2是傳統凝固方式下的磷分布示意圖。圖3是本專利技術電子束分次誘導凝固方式下的磷分布示意圖。圖中：1、電子槍；2、電子束；3、凝固坩堝；4、硅液；5、硅晶體；6、廢液坩堝；7、廢硅液。具體實施方式下面結合附圖對本專利技術作進一步說明。實施例1如圖1所示，本專利技術所述的電子束分次誘導凝固去除硅中金屬雜質的方法，包括以下步驟：A.原料預處理：選擇純度為4N以上的多晶硅原料，原料中的雜質含量控制在P<4ppmw、Fe<20ppmw、Al<10ppmw、Ca<5ppmw、金屬雜質<50ppmw。多晶硅原料經去離子水清洗、烘干后，裝入料倉和熔煉坩堝中。為防止硅液4傾倒時的熱沖擊對坩堝的損壞，在凝固坩堝3底部鋪上一層厚度為3mm-5mm的硅料，所選用的原料為快料，純度為6N，直徑小于1cm；在廢液坩堝6底部鋪上一層厚度為3mm-5mm的硅料，所選用的原料為快料，純度為4N，直徑小于1cm；B.預熱電子槍1：裝料完畢后，電子束爐抽真空，當真空度小于0.5Pa時開始預熱3把電子槍，其中2把電子槍照射熔煉坩堝，另1把電子槍照射凝固坩堝，預熱20-40min，預熱完成后進入硅料熔化階段；C.硅料熔化：當爐體真空度低于5×10-2Pa，槍體真空度低于5×10-3Pa時，啟動電子槍，開始熔化硅料。2把照射熔煉坩堝的電子槍每隔2min-10min功率增加30kW-50kW，逐漸增加到250kW，保持該功率使熔煉坩堝內的硅晶體5完全熔化；1把照射凝固坩堝的電子槍每隔2min-10min功率增加30kW-50kW，逐漸增加到150kW，保持該功率使凝固坩堝內的鋪底硅料熔化；D.硅料熔煉：2把照射熔煉坩堝的電子槍功率繼續保持250kW熔煉硅料10-30min，可將硅中磷含量去除到所需的程度，同時Al、Ca等雜質也被部分去除；E.硅液傾倒：將照射熔煉坩堝的2把電子槍關閉，將熔煉坩堝中的硅液傾倒進入凝固坩堝中。傾倒完成后，將另1把照射凝固坩堝的電子槍功率增加到250kW；F.誘導定向凝固：將照射凝固坩堝的本文檔來自技高網...

【技術保護點】
1.一種電子束分次誘導凝固去除硅中金屬雜質的方法，其特征在于：包括以下步驟：A.原料預處理：多晶硅原料經清洗、烘干，裝入熔煉坩堝中；B.預熱電子槍(1)：電子束爐抽真空，預熱電子槍(1)，電子槍(1)分別照射熔煉坩堝和凝固坩堝(3)；C.硅料熔化：啟動電子槍(1)，功率逐步增大，熔化硅料，使熔煉坩堝內的硅料完全熔化；D.硅料熔煉：電子槍(1)功率繼續保持，熔煉硅料；E.硅液(4)傾倒：關閉照射熔煉坩堝的電子槍(1)，將熔煉坩堝中的硅液(4)傾倒進入凝固坩堝(3)中；F.誘導定向凝固：將照射凝固坩堝(3)的電子槍(1)功率梯度降低，使硅液(4)中保持單向溫度梯度，硅液(4)自下而上定向凝固，直至硅完全凝固；G.固液分離：將照射凝固坩堝(3)的電子槍(1)功率升高，使硅表層附近高雜質濃度區域再次熔化；迅速將照射凝固坩堝(3)的電子槍(1)關閉，將凝固坩堝(3)傾斜，使熔化的硅液(4)傾倒進入廢液坩堝(6)中，之后將凝固坩堝(3)恢復水平位置；H.連續熔煉：向熔煉坩堝中加入新料，重復步驟C至步驟G，直到凝固坩堝(3)中硅錠的重量達到所需的要求；I.冷卻：冷卻后取出凝固坩堝(3)中已提純的硅錠。...

【技術特征摘要】
1.一種電子束分次誘導凝固去除硅中金屬雜質的方法，其特征在于：包括以下步驟：A.原料預處理：多晶硅原料經清洗、烘干，裝入熔煉坩堝中；B.預熱電子槍(1)：電子束爐抽真空，預熱電子槍(1)，電子槍(1)分別照射熔煉坩堝和凝固坩堝(3)；C.硅料熔化：啟動電子槍(1)，功率逐步增大，熔化硅料，使熔煉坩堝內的硅料完全熔化；D.硅料熔煉：電子槍(1)功率繼續保持，熔煉硅料；E.硅液(4)傾倒：關閉照射熔煉坩堝的電子槍(1)，將熔煉坩堝中的硅液(4)傾倒進入凝固坩堝(3)中；F.誘導定向凝固：將照射凝固坩堝(3)的電子槍(1)功率梯度降低，使硅液(4)中保持單向溫度梯度，硅液(4)自下而上定向凝固，直至硅完全凝固；G.固液分離：將照射凝固坩堝(3)的電子槍(1)功率升高，使硅表層附近高雜質濃度區域再次熔化；迅速將照射凝固坩堝(3)的電子槍(1)關閉，將凝固坩堝(3)傾斜，使熔化的硅液(4)傾倒進入廢液坩堝(6)中，之后將凝固坩堝(3)恢復水平位置；H.連續熔煉：向熔煉坩堝中加入新料，重復步驟C至步驟G，直到凝固坩堝(3)中硅錠的重量達到所需的要求；I.冷卻：冷卻后取出凝固坩堝(3)中已提純的硅錠。2.根據權利要求1所述的電子束分次誘導凝固去除硅中金屬雜質的方法，其特征在于：所述步驟F中將照射凝固坩堝(3)的電子槍(1)功率梯度降低直至降低到0kW。3.根據權利要求1所述的電子束分次誘導凝固去除硅中金屬雜質的方法，其特征在于：所述步驟F中照射凝固坩堝(3)的電子槍(1)功率梯度降低是指2min-10min降低30kW-...

【專利技術屬性】
技術研發人員：邵京，石爽，王凱，任世強，
申請(專利權)人：大工青島新能源材料技術研究院有限公司，
類型：發明
國別省市：山東,37