硅固液分离去除金属杂质的方法及凝固坩埚技术

本发明专利技术硅固液分离去除金属杂质的方法及凝固坩埚，属于多晶硅提纯技术领域。本发明专利技术涉及的电子束凝固坩埚，包括倒圆台形坩埚和倾倒口，所述倾倒口位于倒圆台形坩埚的顶部一侧，倾倒口外延形成硅液收集平台，所述硅液收集平台近倒圆台形。利用凝固坩埚实现硅固液分离去除金属杂质的方法，将凝固坩埚向倾倒口一侧倾斜，使顶部尚未凝固的硅液倾倒进入废液坩埚中，并留有少量硅液残留在平台所在的凸出部分，通过倾斜凝固坩埚将该部分硅液倾倒进入废液坩埚中，实现高浓度杂质的硅液与已提纯的硅晶体分离；同时，凝固坩埚中残留的少量硅液可以流动到倾倒口处平台中凝固，实现硅液和硅晶体的完全分离。

【技术实现步骤摘要】
硅固液分离去除金属杂质的方法及凝固坩埚
本专利技术涉及硅固液分离去除金属杂质的方法及凝固坩埚，属于多晶硅提纯

技术介绍
传统化石能源的消耗带来了资源枯竭和环境污染的双重压力，以太阳能为代表的新能源将在未来成为能源供应的主体。根据欧洲能源署的预测，到2050年全球光伏发电装机容量将达到3000GW，占全球发电量的11％，是2010年的110倍以上，成为电力的主要构成形式。太阳能电池种类很多，晶硅太阳电池发展最为成熟，其市场占有率约90％，而且在未来几十年中也仍被认为是太阳能电池的主要类型。多晶硅电池制备工艺相对简单，综合性价比高，未来对多晶硅材料的需求将会持续增长，预计2020年全球多晶硅需求量将比2012年翻一番。太阳能电池需要大量高纯度的多晶硅材料。微量的金属杂质会严重影响硅材料的电阻率和少子寿命等电学性能，进而影响太阳能电池的光电转换效率。名称为一种电子束诱导定向凝固除杂的方法的专利(专利号ZL201210289971.3)专利技术了一种电子束诱导硅定向凝固去除金属杂质的方法，即利用电子束高温熔炼去除硅中的磷等挥发性杂质后，通过逐渐降低电子束功率使硅液自下而上凝固，将金属杂质富集在硅锭的顶部。将顶部富含金属杂质的区域切割掉，剩余部分就是合格的硅材料。该技术将金属杂质富集在硅锭顶部，不可避免会有金属杂质的反扩散，污染已提纯区域，降低铸锭出成率，而且需要将杂质富集区切除，工艺流程长。名称为一种电子束凝固坩埚及排除金属杂质的方法的专利(专利号201501250146.6)提出了用分流导管连通凝固坩埚和废液坩埚，使顶部的高杂质浓度的硅液沿导管流入废液坩埚中，实现杂质分离。该技术在凝固坩埚和废液坩埚之间连接分流导管，且需要精确控制分流导管处的硅熔化，设备及工艺复杂。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有硅去除金属杂质的方法存在的上述缺陷，提出了硅固液分离去除金属杂质的方法。本专利技术是采用以下的技术方案实现的：一种电子束凝固坩埚，包括倒圆台形坩埚和倾倒口，所述倾倒口位于倒圆台形坩埚的顶部一侧，倾倒口外延形成硅液收集平台，所述硅液收集平台近倒圆台形。所述凝固坩埚的上截面直径为70cm-90cm，下截面直径为30cm-60cm，高度为30cm-50cm，倾倒口设置在所述凝固坩埚上截面处的高度为15cm-20cm、宽度为12cm-18cm的开口。所述凝固坩埚的圆台斜度为10°-20°。一种利用上述凝固坩埚实现硅固液分离去除金属杂质的方法，包括以下步骤：A.原料预处理：多晶硅原料经清洗、烘干后，装入熔炼坩埚中；B.预热电子枪：电子束炉抽真空，预热电子枪，电子枪分别照射熔炼坩埚和凝固坩埚；C.硅料熔化：启动电子枪，功率逐步增大，熔化硅料，使熔炼坩埚内的硅料完全熔化；D.硅料熔炼：电子枪功率继续保持，熔炼硅料；E.硅液倾倒：关闭照射熔炼坩埚的电子枪，将熔炼坩埚中的硅液倾倒进入凝固坩埚中；F.诱导定向凝固：将照射凝固坩埚的电子枪功率梯度降低，使硅液中保持单向温度梯度，硅液自下而上定向凝固，保持该功率使坩埚内始终有未凝固的硅液；G.连续熔炼：向熔炼坩埚中加入新料，重复步骤C至步骤F，直至凝固坩埚中硅液的高度超过倾倒口的水平高度；H.固液分离：调节照射凝固坩埚的电子枪功率，使已凝固的硅的高度与残留硅液收集平台的高度一致，迅速将照射凝固坩埚的电子枪关闭，然后将凝固坩埚向倾倒口一侧倾斜，使顶部尚未凝固的硅液倾倒进入废液坩埚中，并留有少量硅液残留在平台所在的凸出部分；保持凝固坩埚倾斜状态不变，使凝固坩埚凸出部分和废液坩埚中的硅液凝固；I.硅锭取出：待所有硅液凝固完成后，将凝固坩埚恢复水平位置，冷却后取出凝固坩埚中已提纯的硅锭。所述步骤C中的电子枪功率逐步增大到250-300kW。所述步骤F中的照射凝固坩埚的电子枪功率降低到100-150kW，保持该功率使坩埚内始终有未凝固的硅液。所述步骤F中照射凝固坩埚的电子枪功率梯度降低是指2min-10min降低30kW-50kW。所述步骤B中电子枪有三把，两把电子枪照射熔炼坩埚，另一把电子枪照射凝固坩埚，预热20-40min。所述步骤C中，照射熔炼坩埚的两把电子枪每隔2min-10min功率增加30kW-50kW，逐渐增加到250-300kW，照射凝固坩埚的电子枪每隔2min-10min功率增加30kW-50kW，逐渐增加到150-200kW。所述步骤E中硅液倾倒后将照射凝固坩埚的电子枪功率增加到250-300kW。所述步骤I中的废液坩埚中的硅锭，可以回收再利用。所述步骤A中为防止硅液倾倒时的热冲击对坩埚的损坏，在凝固坩埚底部铺上一层厚度为3mm-5mm的硅料，所选用的原料为快料，纯度为6N，直径小于1cm；在废液坩埚底部铺上一层厚度为3mm-5mm的硅料，所选用的原料为快料，纯度为4N，直径小于1cm。本专利技术提供了一种硅固液分离去除金属杂质的方法，在电子束诱导硅定向凝固过程中，在诱导定向凝固后期硅尚未完全凝固时，通过倾斜凝固坩埚将末端富集金属杂质的硅液倾倒进入废液坩埚中，使高浓度杂质的硅液与已提纯的硅晶体分离。本专利技术提供的凝固坩埚在凝固坩埚顶部倾倒口处设置一个残留硅液收集平台，当硅液倾倒时，残留的少量硅液可以流动到平台中凝固，实现硅液和硅晶体的完全分离。相对于现有技术，本专利技术的有益效果是：(1)该硅固液分离去除金属杂质的方法，利用电子束诱导硅定向凝固将硅中金属杂质富集在硅顶部未凝固的液相区中，通过倾斜凝固坩埚将该部分硅液倾倒进入废液坩埚中，实现高浓度杂质的硅液与已提纯的硅晶体分离；同时，凝固坩埚中残留的少量硅液可以流动到倾倒口处平台中凝固，实现硅液和硅晶体的完全分离；(2)该硅固液分离去除金属杂质的方法，利用倾倒的方法实现固液分离，金属杂质去除效果好，凝固坩埚倾倒口的设计，使残留的硅液在倾倒口处平台中凝固，使固液分离更加彻底，不会对已提纯的硅锭造成污染；(3)该硅固液分离去除金属杂质的方法，没有切割环节，提高了生产效率；(4)该用于硅固液分离的凝固坩埚，通过倾斜凝固坩埚将该部分硅液倾倒进入废液坩埚中，实现高浓度杂质的硅液与已提纯的硅晶体分离。附图说明图1是本专利技术凝固坩埚结构示意图。图2是本专利技术固液分离过程示意图。图中：1、凝固坩埚；2、废液坩埚；3、液态硅；4、固态硅；5、倾倒口；6、硅液收集平台。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步说明。实施例1如图1所示，本专利技术所述的一种电子束凝固坩埚1，包括倒圆台形坩埚和倾倒口5，倾倒口位于倒圆台形坩埚的顶部一侧，倾倒口外延形成硅液收集平台6，所述硅液收集平台近倒圆台形。凝固坩埚圆台斜度为10°-20°，凝固坩埚的上截面直径为70cm-90cm，下截面直径为30cm-60cm，高度为30cm-50cm。倾倒口设置在所述凝固坩埚上截面处的高度为15cm-20cm、宽度为12cm-18cm的开口。实施例2如图2所示，本专利技术涉及一种利用上述凝固坩埚实现硅固液分离去除金属杂质的方法，包括以下步骤：A.原料预处理：选择纯度为4N以上的多晶硅原料，原料中的杂质含量控制在P<4ppmw、Fe<20ppmw、Al<10ppmw、Ca<5ppmw、金属杂质<50ppmw。多晶硅原料经去本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电子束凝固坩埚，其特征在于：包括倒圆台形坩埚和倾倒口(5)，所述倾倒口(5)位于倒圆台形坩埚的顶部一侧，倾倒口(5)外延形成硅液收集平台(6)，所述硅液收集平台(6)近倒圆台形。

【技术特征摘要】
1.一种电子束凝固坩埚，其特征在于：包括倒圆台形坩埚和倾倒口(5)，所述倾倒口(5)位于倒圆台形坩埚的顶部一侧，倾倒口(5)外延形成硅液收集平台(6)，所述硅液收集平台(6)近倒圆台形。2.一种利用权利要求1所述的凝固坩埚(1)的硅固液分离去除金属杂质的方法，其特征在于：包括以下步骤：A.原料预处理：多晶硅原料经清洗、烘干后，装入熔炼坩埚中；B.预热电子枪：电子束炉抽真空，预热电子枪，电子枪分别照射熔炼坩埚和凝固坩埚(1)；C.硅料熔化：启动电子枪，功率逐步增大，熔化硅料，使熔炼坩埚内的硅料完全熔化；D.硅料熔炼：电子枪功率继续保持，熔炼硅料；E.硅液倾倒：关闭照射熔炼坩埚的电子枪，将熔炼坩埚中的硅液倾倒进入凝固坩埚(1)中；F.诱导定向凝固：将照射凝固坩埚(1)的电子枪功率梯度降低，使硅液中保持单向温度梯度，硅液自下而上定向凝固，保持该功率使坩埚内始终有未凝固的硅液；G.连续熔炼：向熔炼坩埚中加入新料，重复步骤C至步骤F，直至凝固坩埚(1)中硅液的高度超过倾倒口(5)的水平高度；H.固液分离：调节照射凝固坩埚(1)的电子枪功率，使已凝固的硅的高度与残留硅液收集平台(6)的高度一致，迅速将照射凝固坩埚(1)的电子枪关闭，然后将凝固坩埚(1)向倾倒口(5)一侧倾斜，使顶部尚未凝固的硅液倾倒进入废液坩埚(2)中，并留有少量硅液残留在平台所在的凸出部分；保持凝固坩埚(1)倾斜状态不变，使凝固坩埚(1)凸出部分和废液坩埚(2)中的硅液凝固；I.硅锭取出：待所有硅液凝固完成后，将凝固坩埚(1)恢复水平位置，冷却后取出凝固坩埚(1)中已提纯的硅锭。3.根据权利要求1所述的硅固液分离去除金属杂质的方法，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：潘友赫，石爽，任世强，王凯，
申请(专利权)人：大工青岛新能源材料技术研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：山东,37