电子束分次诱导凝固去除硅中金属杂质的方法技术

本发明专利技术涉及电子束分次诱导凝固去除硅中金属杂质的方法，属于多晶硅提纯技术领域。本发明专利技术包括以下步骤：硅料熔化；硅液倾倒；诱导定向凝固；固液分离：将照射凝固坩埚的电子枪功率升高，使硅表层附近高杂质浓度区域再次熔化；迅速将照射凝固坩埚的电子枪关闭，将凝固坩埚倾斜，使熔化的硅液倾倒进入废液坩埚中，之后将凝固坩埚恢复水平位置；本发明专利技术利用电子束分次诱导硅定向凝固，每一次硅料熔化、硅料熔炼、硅液倾倒、诱导定向凝固、固液分离为一个独立过程，通过诱导凝固将金属杂质富集在末端液相区，再通过倾倒的方式实现固液分离，获得的硅锭金属杂质去除效果好。

【技术实现步骤摘要】
电子束分次诱导凝固去除硅中金属杂质的方法
本专利技术涉及电子束分次诱导凝固去除硅中金属杂质的方法，属于多晶硅提纯

技术介绍
随着传统能源的大量消耗以及人类对能源需求的持续增长，以太阳能为代表的可再生能源将在未来发挥越来越重要的作用。多晶硅材料是太阳能产业的基础原材料，可以将太阳能直接转换为电能。随着太阳能光伏产业的高速发展，光伏装机容量不断增加，对多晶硅材料的需求也急剧增长，预计2020年全球多晶硅需求量将超过30万吨，比2012年翻一番。硅中含有大量的杂质，需要被去除到很低的程度才能达到太阳能电池的性能要求，因此在光伏产业链中，多晶硅提纯技术是一个重要的环节，对硅材料的电学性能有重要影响。电子束熔炼是去除硅中杂质的重要手段，熔炼过程分为两个步骤：首先，利用电子束对熔炼坩埚中的多晶硅进行熔炼，蒸汽压比硅大的杂质被蒸发去除；然后，利用金属杂质的分凝效应将其富集在最后凝固区域，再通过去除该高杂质区域即可获得符合要求的硅材料。一种电子束诱导定向凝固除杂的方法(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，将硅料熔化蒸发除杂后，通过缓慢降低电子束流，使其以恒定的速率定向凝固，杂质向熔体顶部富集，待电子束功率降低到一定程度关闭电子束。冷却后将硅锭顶部铝、钙含量较高的部分切除，即可得到低铝，低钙的多晶硅铸锭。使用该技术，需要切除的区域较多，降低了生产效率，也造成硅材料的浪费。虽然硅锭切割后剩余的区域已经符合对杂质含量的要求，但是由于整个硅锭在温度场的控制下自下而上定向凝固，杂质在整个硅锭中显示出分凝效果，从硅锭底部到顶部杂质含量是增加的趋势，均匀性不好，也会造成产品不同位置的性能差异。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有电子束诱导凝固去除硅中金属杂质的方法存在的上述缺陷，提出了电子束分次诱导凝固去除硅中金属杂质的方法。本专利技术是采用以下的技术方案实现的：一种电子束分次诱导凝固去除硅中金属杂质的方法，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，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：启动电子枪熔化硅料，电子枪功率逐步增大到250-300kW,保持该功率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250-300kW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，直至硅完全凝固；G.固液分离：将照射凝固坩埚的电子枪功率升高，使硅表层附近高杂质浓度区域再次熔化；迅速将照射凝固坩埚的电子枪关闭，将凝固坩埚倾斜，使熔化的硅液倾倒进入废液坩埚中，之后将凝固坩埚恢复水平位置；H.连续熔炼：向熔炼坩埚中加入新料，重复步骤C至步骤G，直到凝固坩埚中硅锭的重量达到所需的要求；I.冷却：冷却后取出凝固坩埚中已提纯的硅锭。所述步骤F中将照射凝固坩埚的电子枪功率梯度降低直至降低到0kW。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G中照射凝固坩埚的电子枪功率升高至50-100kW。所述步骤A中在凝固坩埚底部铺上一层厚度为3mm-5mm的硅料，在凝固坩埚底部铺上一层厚度为3mm-5mm的硅料。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。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150kW。所述步骤D中照射熔炼坩埚的电子枪功率保持250-300kW熔炼硅料10-30min。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C中的电子枪功率逐步增大到250-300kW，保持该功率使熔炼坩埚内的硅料完全熔化。本专利技术提供了一种电子束分次诱导凝固去除硅中金属杂质的方法，在凝固坩埚中进行多次诱导凝固和固液分离。当硅原料在熔炼坩埚中熔炼一定时间后，倾倒进入凝固坩埚中进行诱导定向凝固，并将顶部高杂质浓度的硅液分离出去。重复该熔炼、倾倒、诱导凝固、固液分离过程，直到获得所需重量的硅锭。相对于现有技术，本专利技术的有益效果是：(1)本专利技术利用电子束分次诱导硅定向凝固，每一次硅料熔化、硅料熔炼、硅液倾倒、诱导定向凝固、固液分离为一个独立过程，每次凝固过程不受前后凝固环节的影响，整个过程是每次诱导凝固的叠加，通过诱导凝固将金属杂质富集在末端液相区，再通过倾倒的方式实现固液分离，获得的硅锭金属杂质去除效果好；(2)本专利技术的利用电子束分次诱导硅定向凝固方法去除硅中金属杂质，使硅锭中的杂质含量满足要求且分布均匀，产品品质稳定；(3)本专利技术无需切割环节，减少了生产工序，提高了生产效率。附图说明图1是电子束分次诱导凝固过程示意图。图2是传统凝固方式下的磷分布示意图。图3是本专利技术电子束分次诱导凝固方式下的磷分布示意图。图中：1、电子枪；2、电子束；3、凝固坩埚；4、硅液；5、硅晶体；6、废液坩埚；7、废硅液。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，本专利技术所述的电子束分次诱导凝固去除硅中金属杂质的方法，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。多晶硅原料经去离子水清洗、烘干后，装入料仓和熔炼坩埚中。为防止硅液4倾倒时的热冲击对坩埚的损坏，在凝固坩埚3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6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；B.预热电子枪1：装料完毕后，电子束炉抽真空，当真空度小于0.5Pa时开始预热3把电子枪，其中2把电子枪照射熔炼坩埚，另1把电子枪照射凝固坩埚，预热20-40min，预热完成后进入硅料熔化阶段；C.硅料熔化：当炉体真空度低于5×10-2Pa，枪体真空度低于5×10-3Pa时，启动电子枪，开始熔化硅料。2把照射熔炼坩埚的电子枪每隔2min-10min功率增加30kW-50kW，逐渐增加到250kW，保持该功率使熔炼坩埚内的硅晶体5完全熔化；1把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150kW，保持该功率使凝固坩埚内的铺底硅料熔化；D.硅料熔炼：2把照射熔炼坩埚的电子枪功率继续保持250kW熔炼硅料10-30min，可将硅中磷含量去除到所需的程度，同时Al、Ca等杂质也被部分去除；E.硅液倾倒：将照射熔炼坩埚的2把电子枪关闭，将熔炼坩埚中的硅液倾倒进入凝固坩埚中。倾倒完成后，将另1把照射凝固坩埚的电子枪功率增加到250kW；F.诱导定向凝固：将照射凝固坩埚的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电子束分次诱导凝固去除硅中金属杂质的方法，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，装入熔炼坩埚中；B.预热电子枪(1)：电子束炉抽真空，预热电子枪(1)，电子枪(1)分别照射熔炼坩埚和凝固坩埚(3)；C.硅料熔化：启动电子枪(1)，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(1)功率继续保持，熔炼硅料；E.硅液(4)倾倒：关闭照射熔炼坩埚的电子枪(1)，将熔炼坩埚中的硅液(4)倾倒进入凝固坩埚(3)中；F.诱导定向凝固：将照射凝固坩埚(3)的电子枪(1)功率梯度降低，使硅液(4)中保持单向温度梯度，硅液(4)自下而上定向凝固，直至硅完全凝固；G.固液分离：将照射凝固坩埚(3)的电子枪(1)功率升高，使硅表层附近高杂质浓度区域再次熔化；迅速将照射凝固坩埚(3)的电子枪(1)关闭，将凝固坩埚(3)倾斜，使熔化的硅液(4)倾倒进入废液坩埚(6)中，之后将凝固坩埚(3)恢复水平位置；H.连续熔炼：向熔炼坩埚中加入新料，重复步骤C至步骤G，直到凝固坩埚(3)中硅锭的重量达到所需的要求；I.冷却：冷却后取出凝固坩埚(3)中已提纯的硅锭。...

【技术特征摘要】
1.一种电子束分次诱导凝固去除硅中金属杂质的方法，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，装入熔炼坩埚中；B.预热电子枪(1)：电子束炉抽真空，预热电子枪(1)，电子枪(1)分别照射熔炼坩埚和凝固坩埚(3)；C.硅料熔化：启动电子枪(1)，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(1)功率继续保持，熔炼硅料；E.硅液(4)倾倒：关闭照射熔炼坩埚的电子枪(1)，将熔炼坩埚中的硅液(4)倾倒进入凝固坩埚(3)中；F.诱导定向凝固：将照射凝固坩埚(3)的电子枪(1)功率梯度降低，使硅液(4)中保持单向温度梯度，硅液(4)自下而上定向凝固，直至硅完全凝固；G.固液分离：将照射凝固坩埚(3)的电子枪(1)功率升高，使硅表层附近高杂质浓度区域再次熔化；迅速将照射凝固坩埚(3)的电子枪(1)关闭，将凝固坩埚(3)倾斜，使熔化的硅液(4)倾倒进入废液坩埚(6)中，之后将凝固坩埚(3)恢复水平位置；H.连续熔炼：向熔炼坩埚中加入新料，重复步骤C至步骤G，直到凝固坩埚(3)中硅锭的重量达到所需的要求；I.冷却：冷却后取出凝固坩埚(3)中已提纯的硅锭。2.根据权利要求1所述的电子束分次诱导凝固去除硅中金属杂质的方法，其特征在于：所述步骤F中将照射凝固坩埚(3)的电子枪(1)功率梯度降低直至降低到0kW。3.根据权利要求1所述的电子束分次诱导凝固去除硅中金属杂质的方法，其特征在于：所述步骤F中照射凝固坩埚(3)的电子枪(1)功率梯度降低是指2min-10min降低30kW-...

【专利技术属性】
技术研发人员：邵京，石爽，王凯，任世强，
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