多晶硅連續(xù)化介質熔煉方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于多晶硅提純領域，具體涉及一種多晶硅連續(xù)化介質熔煉方法，按照以下步驟進行：將硅料和渣劑在中頻感應加熱爐中熔化，從而進行第一次介質熔煉，熔煉結束后，將中頻感應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，加入渣劑再次進行介質熔煉，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雜質含量小于0.3ppmw。
【專利說明】多晶硅連續(xù)化介質熔煉方法【技術領域】[0001]本發(fā)明屬于多晶硅提純領域，具體涉及一種多晶硅連續(xù)化介質熔煉方法。【背景技術】[0002]當今世界能源危機與環(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。人們對太陽能的使用最早是其熱效應的利用，但難以完全滿足現(xiàn)代社會的需要。直到半導體光電效應的發(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，其中的雜質主要有Fe、Al、Ca等金屬雜質和B、P等非金屬雜質,而這些雜質元素會降低娃晶粒界面處光生載流子的復合程度，而光生載流子的復合程度又決定了太陽能電池的光電轉換效率，所以有效的去除這些雜質在太陽能電池的應用方面有著至關重要的作用。[0003]太陽能光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展依賴于對多晶硅原料的提純。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，介質熔煉工藝用于去除多晶硅中的B雜質，利用中頻感應熱爐作為熔煉設備，利用石墨坩堝作為載體，對設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，無法交替進行，生產(chǎn)效率低。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005]根據(jù)以上現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明提出一種多晶硅連續(xù)化介質熔煉方法，通過對工藝改進，將中頻感應加熱爐和電阻爐相結合，實現(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)化介質熔煉方法，按照以下步驟進行:將硅料和渣劑在中頻感應加熱爐中熔化，從而進行第一次介質熔煉，熔煉結束后，將中頻感應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，加入渣劑再次進行介質熔煉，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)選按照以下步驟進行:[0008](I)在中頻感應加熱爐中的石墨坩堝加入占渣劑總質量20%的渣劑和硅料，控制加熱功率使其全部熔化，然后分3~5次加入剩余渣劑進行熔煉，其中，硅料與全部渣劑的質量比為0.5~3:1，熔煉溫度為1600~1800°C，每次加入的熔煉時間為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 )將中頻感應加熱爐中熔煉結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)實際生產(chǎn)需要及對硅純度要求，可以重復進行電阻爐的介質熔煉。即電阻爐中介質熔煉結束后，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行介質熔煉，重復以上過程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]重復進行電阻爐的介質熔煉，優(yōu)選按照以下步驟進行:[0014](1)在中頻感應加熱爐中的石墨坩堝加入占渣劑總質量20%的渣劑和硅料，控制加熱功率使其全部熔化，然后分3~5次加入剩余渣劑進行熔煉，其中，硅料與全部渣劑的質量比為0.5~3:1，熔煉溫度為1600~1800°C，每次加入的熔煉時間為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)將中頻感應加熱爐中熔煉結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)的硅渣質量比0.5~3:1，升高溫度至1500~1600°C，熔煉 20~30min，重復本步驟過程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)中在中頻感應加熱爐中的石墨坩堝加入占渣劑總質量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)選采用冶金級硅，所述的冶金級硅中硅含量為97.0~ 99.9wt%,雜質硼含量為2~20ppmw。[0020]本發(fā)明用于介質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，將中頻感應加熱爐和電阻爐結合，用于介質熔煉工藝的連續(xù)化生產(chǎn)過程，第一次介質熔煉在中頻感應加熱爐中進行，以后的介質熔煉過程在電阻爐中進行，與此同時，中頻感應加熱爐可以再加入新的硅料和渣劑用作第一次介質熔煉工藝，以此實現(xiàn)連續(xù)化的全液態(tài)流程。由于中頻感應加熱爐和電阻爐容硅量的大小不同，通常中頻感應加熱爐是電阻爐大小的2~5倍，所以本發(fā)明設備中，一臺中頻感應加熱爐會配套多臺電阻爐，用于將硅液平分到電阻爐中。通過上述改進，可以提高熱利用率和生產(chǎn)效率，同時降低了對設備及坩堝的要求。[0022]本發(fā)明的優(yōu)點在于:(I)實現(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)過介質熔煉后，B雜質含量小于0.3ppmw,符合介質熔煉工藝要求?！揪唧w實施方式】[0023]以下結合實施例對本發(fā)明做進一步說明。[0024]實施例1:[0025](I)選料:待提純硅塊600kg為冶金級硅，所述冶金級硅中硅含量為97.0~ 99.9wt%，雜質硼含量為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渣劑進行熔煉，其中，硅料與全部渣劑的質量比為0.5:1，熔煉溫度為1600°C，每次加入的熔煉時間為20min ；[0027](3)向四臺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)將中頻感應加熱爐中熔煉結束后的舊渣倒入到耐熱鑄鐵模具中，硅液平分倒入到四臺電阻爐中的碳化硅坩堝，且碳化硅坩堝內(nèi)的硅渣質量比0.5:1，升高溫度至 1500。。，熔煉 20min ；[0029](5)將電阻爐中熔煉結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雜質含量為0.15ppmw。[0031]實施例2:[0032](I)選料:待提純硅塊600kg為冶金級硅，所述冶金級硅中硅含量為97.0~ 99.9wt%，雜質硼含量為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渣劑進行熔煉，其中，硅料與全部渣劑的質量比為3:1，熔煉溫度為1800°C，每次加入的熔煉時間為30min ；[0034](3)向四臺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)將中頻感應加熱爐中熔煉結束后的舊渣倒入到耐熱鑄鐵模具中，硅液平分倒入到四臺電阻爐中的碳化硅坩堝，且碳化硅坩堝內(nèi)的硅渣質量比3:1，升高溫度至1600°C， 熔煉30min ；[0036](5)將電阻爐中熔煉結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)的硅渣質量比3:1，升高溫度至1600°C，熔煉30min，重復本步驟過程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雜質含量為0.2ppmw。
【權利要求】
1.一種多晶硅連續(xù)化介質熔煉方法，其特征在于按照以下步驟進行:將硅料和渣劑在中頻感應加熱爐中熔化，從而進行第一次介質熔煉，熔煉結束后，將中頻感應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，加入渣劑再次進行介質熔煉，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)權利要求1所述的多晶硅連續(xù)化介質熔煉方法，其特征在于按照以下步驟進行:(1)在中頻感應加熱爐中的石墨坩堝加入占渣劑總質量20%的渣劑和硅料，控制加熱功率使其全部熔化，然后分3~5次加入剩余渣劑進行熔煉，其中，硅料與全部渣劑的質量比為0.5~3:1，熔煉溫度為1600~1800°C，每次加入的熔煉時間為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 )將中頻感應加熱爐中熔煉結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)權利要求1所述的多晶硅連續(xù)化介質熔煉方法，其特征在于電阻爐中介質熔煉結束后，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行介質熔煉，重復以上過程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)權利要求2所述的多晶硅連續(xù)化介質熔煉方法，其特征在于按照以下步驟進行:(1)在中頻感應加熱爐中的石墨坩堝加入占渣劑總質量20%的渣劑和硅料，控制加熱功率使其全部熔化，然后分3~5次加入剩余渣劑進行熔煉，其中，硅料與全部渣劑的質量比為0.5~3:1，熔煉溫度為1600~1800°C，每次加入的熔煉時間為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 )將中頻感應加熱爐中熔煉結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)的硅渣質量比0.5~3:1，升高溫度至1500~1600°C，熔煉 20~30min，重復本`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)權利要求2所述的多晶硅連續(xù)化介質熔煉方法，其特征在于步驟(1)中在中頻感應加熱爐中的石墨坩堝加入占渣劑總質量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)權利要求1~6任一所述的多晶硅連續(xù)化介質熔煉方法，其特征在于硅料為冶金級娃，所述冶金級娃中娃含量為97.0~99.9wt%,雜質硼含量為2~20ppmw。
【文檔編號】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