多晶硅連續(xù)化介質(zhì)熔煉方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于多晶硅提純領(lǐng)域，具體涉及一種多晶硅連續(xù)化介質(zhì)熔煉方法，按照以下步驟進(jìn)行：將硅料和渣劑在中頻感應(yīng)加熱爐中熔化，從而進(jìn)行第一次介質(zhì)熔煉，熔煉結(jié)束后，將中頻感應(yīng)加熱爐中的上層舊渣倒入耐熱鑄鐵模具中，將硅液倒入到電阻爐中，加入渣劑再次進(jìn)行介質(zhì)熔煉，最后將電阻爐中的上層舊渣倒入先前的耐熱鑄鐵模具中，硅液倒入另一空置的耐熱鑄鐵模具中冷卻凝固即可。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：（1）提高生產(chǎn)效率20～30%，節(jié)省電耗1000～2000度/噸；（2）利用電阻爐代替部分中頻爐，減少中頻設(shè)備數(shù)量；（3）電阻爐中用碳化硅坩堝代替石墨坩堝，避免石墨燒損帶來的損耗；（4）B雜質(zhì)含量小于0.3ppmw。
【專利說明】多晶硅連續(xù)化介質(zhì)熔煉方法【技術(shù)領(lǐng)域】[0001]本發(fā)明屬于多晶硅提純領(lǐng)域，具體涉及一種多晶硅連續(xù)化介質(zhì)熔煉方法?！颈尘凹夹g(shù)】[0002]當(dāng)今世界能源危機(jī)與環(huán)境污染壓力并存，人們急需清潔、安全，可持續(xù)的新能源。 太陽能作為滿足這樣要求的能源，一直都是人們追求的目標(biāo)。人們對(duì)太陽能的使用最早是其熱效應(yīng)的利用，但難以完全滿足現(xiàn)代社會(huì)的需要。直到半導(dǎo)體光電效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，太陽能電池的制造，人們找到太陽能新的利用方式。硅作為太陽能電池的最理想原料，其中的雜質(zhì)主要有Fe、Al、Ca等金屬雜質(zhì)和B、P等非金屬雜質(zhì),而這些雜質(zhì)元素會(huì)降低娃晶粒界面處光生載流子的復(fù)合程度，而光生載流子的復(fù)合程度又決定了太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率，所以有效的去除這些雜質(zhì)在太陽能電池的應(yīng)用方面有著至關(guān)重要的作用。[0003]太陽能光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展依賴于對(duì)多晶硅原料的提純。多晶硅原料的提純工藝目前主要依賴以下幾種工藝:西門子法、硅烷法、氣體流化床法和冶金法。其中，冶金法因具備工藝簡單、成本較低的優(yōu)點(diǎn)極具發(fā)展?jié)摿?。目前，冶金法工藝主要有四大工藝環(huán)節(jié)，介質(zhì)熔煉、 定向凝固、電子束熔煉和鑄錠。[0004]傳統(tǒng)的冶金法工藝流程中，介質(zhì)熔煉工藝用于去除多晶硅中的B雜質(zhì)，利用中頻感應(yīng)熱爐作為熔煉設(shè)備，利用石墨坩堝作為載體，對(duì)設(shè)備和石墨坩堝的要求高，成本高。 熔煉過程不夠連續(xù)，需要經(jīng)過多次倒渣-加渣-熔化的過程，無法交替進(jìn)行，生產(chǎn)效率低。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005]根據(jù)以上現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提出一種多晶硅連續(xù)化介質(zhì)熔煉方法，通過對(duì)工藝改進(jìn)，將中頻感應(yīng)加熱爐和電阻爐相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn)，并且能夠降低生產(chǎn)成本。[0006]本發(fā)明所述的一種多晶硅連續(xù)化介質(zhì)熔煉方法，按照以下步驟進(jìn)行:將硅料和渣劑在中頻感應(yīng)加熱爐中熔化，從而進(jìn)行第一次介質(zhì)熔煉，熔煉結(jié)束后，將中頻感應(yīng)加熱爐中的上層舊渣倒入耐熱鑄鐵模具中，將硅液倒入到電阻爐中，加入渣劑再次進(jìn)行介質(zhì)熔煉，最后將電阻爐中的上層舊渣倒入先前的耐熱鑄鐵模具中，硅液倒入另一空置的耐熱鑄鐵模具中冷卻凝固即可。[0007]優(yōu)選按照以下步驟進(jìn)行:[0008](I)在中頻感應(yīng)加熱爐中的石墨坩堝加入占渣劑總質(zhì)量20%的渣劑和硅料，控制加熱功率使其全部熔化，然后分3~5次加入剩余渣劑進(jìn)行熔煉，其中，硅料與全部渣劑的質(zhì)量比為0.5~3:1，熔煉溫度為1600~1800°C，每次加入的熔煉時(shí)間為20~30min ；[0009](2)向電阻爐中的碳化硅坩堝加入渣劑，采用硅碳棒加熱升溫至800~1000°C ；[0010](3 )將中頻感應(yīng)加熱爐中熔煉結(jié)束后的舊渣倒入到耐熱鑄鐵模具中，硅液倒入到電阻爐中的碳化硅坩堝，且碳化硅坩堝內(nèi)的硅渣質(zhì)量比0.5~3:1，升高溫度至1500~ 1600°C，熔煉 20 ~30min ；[0011](4)將電阻爐中熔煉結(jié)束后的上層舊渣倒入先前耐熱鑄鐵模具中，硅液倒入另一空置的耐熱鑄鐵模具中冷卻凝固即可。[0012]本發(fā)明中，如果根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需要及對(duì)硅純度要求，可以重復(fù)進(jìn)行電阻爐的介質(zhì)熔煉。即電阻爐中介質(zhì)熔煉結(jié)束后，將電阻爐中的上層舊渣倒入先前的耐熱鑄鐵模具中，硅液倒入已經(jīng)加入渣劑的新電阻爐中進(jìn)行介質(zhì)熔煉，重復(fù)以上過程O~I次，最后將電阻爐中的上層舊渣倒入先前的耐熱鑄鐵模具中，硅液倒入另一空置的耐熱鑄鐵模具中冷卻凝固即可。[0013]重復(fù)進(jìn)行電阻爐的介質(zhì)熔煉，優(yōu)選按照以下步驟進(jìn)行:[0014](1)在中頻感應(yīng)加熱爐中的石墨坩堝加入占渣劑總質(zhì)量20%的渣劑和硅料，控制加熱功率使其全部熔化，然后分3~5次加入剩余渣劑進(jìn)行熔煉，其中，硅料與全部渣劑的質(zhì)量比為0.5~3:1，熔煉溫度為1600~1800°C，每次加入的熔煉時(shí)間為20~30min ；[0015](2)向電阻爐中的碳化硅坩堝加入渣劑，采用硅碳棒加熱升溫至800~1000°C ；[0016](3)將中頻感應(yīng)加熱爐中熔煉結(jié)束后的舊渣倒入到耐熱鑄鐵模具中，硅液倒入到電阻爐中的碳化硅坩堝，且碳化硅坩堝內(nèi)的硅渣質(zhì)量比0.5~3:1，升高溫度至1500~ 1600°C，熔煉 20 ~30min ；[0017](4)將電阻爐中熔煉結(jié)束后的上層舊渣倒入先前耐熱鑄鐵模具中，硅液倒入已經(jīng)加入渣劑的新電阻爐中的碳化硅坩堝內(nèi)，且新電阻爐加入硅液前已采用硅碳棒加熱升溫至 800~1000°C，碳化硅坩堝內(nèi)的硅渣質(zhì)量比0.5~3:1，升高溫度至1500~1600°C，熔煉 20~30min，重復(fù)本步驟過程O~I次，最后將電阻爐中的上層舊渣倒入先前的耐熱鑄鐵模具中，硅液倒入另一空置的耐熱鑄鐵模具中冷卻凝固即可。[0018]本發(fā)明中，步驟(1)中在中頻感應(yīng)加熱爐中的石墨坩堝加入占渣劑總質(zhì)量20%的渣劑和硅料，優(yōu)選控制加熱功率200~300KW使其全部熔化。[0019]本發(fā)明所用的硅料優(yōu)選采用冶金級(jí)硅，所述的冶金級(jí)硅中硅含量為97.0~ 99.9wt%,雜質(zhì)硼含量為2~20ppmw。[0020]本發(fā)明用于介質(zhì)熔煉的渣劑為常用渣劑，如硅鈣系造渣劑，本發(fā)明并不做限制。[0021]在本發(fā)明中，將中頻感應(yīng)加熱爐和電阻爐結(jié)合，用于介質(zhì)熔煉工藝的連續(xù)化生產(chǎn)過程，第一次介質(zhì)熔煉在中頻感應(yīng)加熱爐中進(jìn)行，以后的介質(zhì)熔煉過程在電阻爐中進(jìn)行，與此同時(shí)，中頻感應(yīng)加熱爐可以再加入新的硅料和渣劑用作第一次介質(zhì)熔煉工藝，以此實(shí)現(xiàn)連續(xù)化的全液態(tài)流程。由于中頻感應(yīng)加熱爐和電阻爐容硅量的大小不同，通常中頻感應(yīng)加熱爐是電阻爐大小的2~5倍，所以本發(fā)明設(shè)備中，一臺(tái)中頻感應(yīng)加熱爐會(huì)配套多臺(tái)電阻爐，用于將硅液平分到電阻爐中。通過上述改進(jìn)，可以提高熱利用率和生產(chǎn)效率，同時(shí)降低了對(duì)設(shè)備及坩堝的要求。[0022]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:(I)實(shí)現(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn)，提高生產(chǎn)效率20~30%，節(jié)省電耗 1000~2000度/噸；(2)利用電阻爐代替部分中頻爐，減少中頻設(shè)備數(shù)量；(3)電阻爐中用碳化硅坩堝代替石墨坩堝，避免石墨燒損帶來的損耗；(4)經(jīng)過介質(zhì)熔煉后，B雜質(zhì)含量小于0.3ppmw,符合介質(zhì)熔煉工藝要求?！揪唧w實(shí)施方式】[0023]以下結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明。[0024]實(shí)施例1:[0025](I)選料:待提純硅塊600kg為冶金級(jí)硅，所述冶金級(jí)硅中硅含量為97.0~ 99.9wt%，雜質(zhì)硼含量為2~20ppmw。渣劑選用常用的硅鈣系造渣劑。[0026](2)在中頻感應(yīng)加熱爐中的石墨坩堝加入240kg渣劑和硅料，控制加熱功率200KW 使其全部熔化，然后分3次加入剩余的960kg渣劑進(jìn)行熔煉，其中，硅料與全部渣劑的質(zhì)量比為0.5:1，熔煉溫度為1600°C，每次加入的熔煉時(shí)間為20min ；[0027](3)向四臺(tái)電阻爐中的碳化硅坩堝分別加入300kg渣劑，采用硅碳棒加熱升溫至 800 0C ；[0028](4)將中頻感應(yīng)加熱爐中熔煉結(jié)束后的舊渣倒入到耐熱鑄鐵模具中，硅液平分倒入到四臺(tái)電阻爐中的碳化硅坩堝，且碳化硅坩堝內(nèi)的硅渣質(zhì)量比0.5:1，升高溫度至 1500。。，熔煉 20min ；[0029](5)將電阻爐中熔煉結(jié)束后的上層舊渣倒入先前耐熱鑄鐵模具中，硅液倒入已經(jīng)加入300kg渣劑的新電阻爐中的碳化硅坩堝內(nèi)，且新電阻爐加入硅液前已采用硅碳棒加熱升溫至800°C，碳化硅坩堝內(nèi)的硅渣質(zhì)量比0.5:1，升高溫度至1500°C，熔煉20min，最后將電阻爐中的上層舊渣倒入先前的耐熱鑄鐵模具中，硅液倒入另一空置的耐熱鑄鐵模具中冷卻凝固即可。[0030](6)經(jīng)檢測，得到的硅塊的B雜質(zhì)含量為0.15ppmw。[0031]實(shí)施例2:[0032](I)選料:待提純硅塊600kg為冶金級(jí)硅，所述冶金級(jí)硅中硅含量為97.0~ 99.9wt%，雜質(zhì)硼含量為2~20ppmw。渣劑選用常用的硅鈣系造渣劑。[0033](2)在中頻感應(yīng)加熱爐中的石墨坩堝加入40kg渣劑和硅料，控制加熱功率300KW 使其全部熔化，然后分3次加入剩余的160kg渣劑進(jìn)行熔煉，其中，硅料與全部渣劑的質(zhì)量比為3:1，熔煉溫度為1800°C，每次加入的熔煉時(shí)間為30min ；[0034](3)向四臺(tái)電阻爐中的碳化硅坩堝分別加入50kg渣劑，采用硅碳棒加熱升溫至 10000C ；[0035](4)將中頻感應(yīng)加熱爐中熔煉結(jié)束后的舊渣倒入到耐熱鑄鐵模具中，硅液平分倒入到四臺(tái)電阻爐中的碳化硅坩堝，且碳化硅坩堝內(nèi)的硅渣質(zhì)量比3:1，升高溫度至1600°C， 熔煉30min ；[0036](5)將電阻爐中熔煉結(jié)束后的上層舊渣倒入先前耐熱鑄鐵模具中，硅液倒入已經(jīng)加入50kg渣劑的新電阻爐中的碳化硅坩堝內(nèi)，且新電阻爐加入硅液前已采用硅碳棒加熱升溫至1000°C，碳化硅坩堝內(nèi)的硅渣質(zhì)量比3:1，升高溫度至1600°C，熔煉30min，重復(fù)本步驟過程I次，最后將電阻爐中的上層舊渣倒入先前的耐熱鑄鐵模具中，硅液倒入另一空置的耐熱鑄鐵模具中冷卻凝固即可。[0037](6)經(jīng)檢測，得到的硅`塊的B雜質(zhì)含量為0.2ppmw。
【權(quán)利要求】
1.一種多晶硅連續(xù)化介質(zhì)熔煉方法，其特征在于按照以下步驟進(jìn)行:將硅料和渣劑在中頻感應(yīng)加熱爐中熔化，從而進(jìn)行第一次介質(zhì)熔煉，熔煉結(jié)束后，將中頻感應(yīng)加熱爐中的上層舊渣倒入耐熱鑄鐵模具中，將硅液倒入到電阻爐中，加入渣劑再次進(jìn)行介質(zhì)熔煉，最后將電阻爐中的上層舊渣倒入先前的耐熱鑄鐵模具中，硅液倒入另一空置的耐熱鑄鐵模具中冷卻凝固即可。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多晶硅連續(xù)化介質(zhì)熔煉方法，其特征在于按照以下步驟進(jìn)行:(1)在中頻感應(yīng)加熱爐中的石墨坩堝加入占渣劑總質(zhì)量20%的渣劑和硅料，控制加熱功率使其全部熔化，然后分3~5次加入剩余渣劑進(jìn)行熔煉，其中，硅料與全部渣劑的質(zhì)量比為0.5~3:1，熔煉溫度為1600~1800°C，每次加入的熔煉時(shí)間為20~30min ；(2)向電阻爐中的碳化硅坩堝加入渣劑，采用硅碳棒加熱升溫至800~1000°C；(3 )將中頻感應(yīng)加熱爐中熔煉結(jié)束后的丨日渣倒入到耐熱鑄鐵模具中，硅液倒入到電阻爐中的碳化硅坩堝，且碳化硅坩堝內(nèi)的硅渣質(zhì)量比0.5~3:1，升高溫度至1500~1600 V， 熔煉20~30min ；(4)將電阻爐中熔煉結(jié)束后的上層舊渣倒入先前耐熱鑄鐵模具中，硅液倒入另一空置的耐熱鑄鐵模具中冷卻凝固即可。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多晶硅連續(xù)化介質(zhì)熔煉方法，其特征在于電阻爐中介質(zhì)熔煉結(jié)束后，將電阻爐中的上層舊渣倒入先前的耐熱鑄鐵模具中，硅液倒入已經(jīng)加入渣劑的新電阻爐中進(jìn)行介質(zhì)熔煉，重復(fù)以上過程O~I次，最后將電阻爐中的上層舊渣倒入先前的耐熱鑄鐵模具中，硅液倒入另一空置的耐熱鑄鐵模具中冷卻凝固即可。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的多晶硅連續(xù)化介質(zhì)熔煉方法，其特征在于按照以下步驟進(jìn)行:(1)在中頻感應(yīng)加熱爐中的石墨坩堝加入占渣劑總質(zhì)量20%的渣劑和硅料，控制加熱功率使其全部熔化，然后分3~5次加入剩余渣劑進(jìn)行熔煉，其中，硅料與全部渣劑的質(zhì)量比為0.5~3:1，熔煉溫度為1600~1800°C，每次加入的熔煉時(shí)間為20~30min ；(2)向電阻爐中的碳化硅坩堝加入渣劑，采用硅碳棒加熱升溫至800~1000°C；(3 )將中頻感應(yīng)加熱爐中熔煉結(jié)束后的丨日渣倒入到耐熱鑄鐵模具中，硅液倒入到電阻爐中的碳化硅坩堝，且碳化硅坩堝內(nèi)的硅渣質(zhì)量比0.5~3:1，升高溫度至1500~1600 V， 熔煉20~30min ；(4)將電阻爐中熔煉結(jié)束后的上層舊渣倒入先前耐熱鑄鐵模具中，硅液倒入已經(jīng)加入渣劑的新電阻爐中的碳化硅坩堝內(nèi)，且新電阻爐加入硅液前已采用硅碳棒加熱升溫至 800~1000°C，碳化硅坩堝內(nèi)的硅渣質(zhì)量比0.5~3:1，升高溫度至1500~1600°C，熔煉 20~30min，重復(fù)本`步驟過程O~I次，最后將電阻爐中的上層舊渣倒入先前的耐熱鑄鐵模具中，硅液倒入另一空置的耐熱鑄鐵模具中冷卻凝固即可。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的多晶硅連續(xù)化介質(zhì)熔煉方法，其特征在于步驟(1)中在中頻感應(yīng)加熱爐中的石墨坩堝加入占渣劑總質(zhì)量20%的渣劑和硅料，控制加熱功率200~300KW 使其全部熔化。
6.根據(jù)權(quán)利要求1~6任一所述的多晶硅連續(xù)化介質(zhì)熔煉方法，其特征在于硅料為冶金級(jí)娃，所述冶金級(jí)娃中娃含量為97.0~99.9wt%,雜質(zhì)硼含量為2~20ppmw。
【文檔編號(hào)】C01B33/037GK103553050SQ201310514376
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2013年10月25日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月25日
【發(fā)明者】張磊, 譚毅, 侯振海, 劉瑤 申請人:青島隆盛晶硅科技有限公司