本发明专利技术涉及一种通过钠还原四氟化硅法制备太阳能级多晶硅的装置和方法。该装置包括上下两室，上室为反应室，两室由通道相连接；上室内置石墨反应坩埚，石墨坩埚外围设有加热元件；石墨坩埚内底部呈倒锥形，中心开孔供液体物料坠入下室；该孔上覆盖一石墨双锥台，其上表面用于进行反应并阻挡液态钠直接坠入下室，该双锥台下锥的锥度与坩埚底部坡度相吻合，在该下锥的锥面上设有卸料通道，供液体物料汇流到石墨坩埚底部中心孔后坠入至下室的接收容器中。本发明专利技术利用氟化钠和硅的熔点差高效低成本地制得合格的太阳能级多晶硅，可以实现半连续的大规模工业生产。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属新能源材料领域，特别是太阳能电池原料制备领域，具体涉及通过钠还原四氟化硅制备太阳能级多晶硅的半连续生产装置及方法。
技术介绍
能源是人类社会经济发展的物质基础。煤、石油、天然气等化石能源是目前的主要能源。但化石能源资源有限，且使用化石能源会产生大量二氧化碳，造成温室效应，严重威胁地球环境。开发利用可再生能源已成为人类迫切需要解决的问题。中国缺油少气，以煤为主的能源结构，已使中国成为温室气体排放量最大的国家，并对我国经济、社会的可持续发展构成了挑战，因此开发利用绿色可再生能源对我国尤为迫切。利用太阳能是人类解决能源短缺和环境污染问题的重要途径之一。将太阳光转化成电能的太阳能电池将成为未来绿色能源的重要组成部分。太阳能电池有多种，而以晶体硅(单晶或多晶)为主要原料的太阳能电池将在相当长时期内占主导地位。多晶硅原料生产是制备晶体硅太阳能电池整个生产链的第一步，它的成本在较大程度上决定了太阳能电池的成本。目前国内外太阳能多晶硅的生产方法主要是改良西门子法，占到市场份额近90%。它是为了生产半导体芯片经几十年发展起来的比较成熟的技术，近年用于大量生产太阳能电池所需的硅原料。它采用金属硅与氯化氢(HCl)反应生成三氯氢硅(SiHCl3),然后通过精馏分离去除杂质，得到硼、磷及金属杂质含量极低的高纯三氯氢硅。高纯三氯氢硅与氢气在通电加热到约1100°C的细硅棒上进行还原反应，生成的硅气相沉积使硅棒逐渐长大变粗。由于气体容易提纯，所以改良西门子法的主要优点是产品纯度高(可以高达9N-12N，远远高于太阳能级多晶硅的要求)。但生产设备复杂，且最大的缺点是受热力学平衡的限制，三氯氢硅原料的单程 转化率很低只有14-18%，产生大量尾气成份复杂(含SiCl4, SiHCl3,SiH2Cl2, HCIjH2等)，需再经分离、纯化、转化回收利用。因而该方法能耗高、生产成本高、环保问题难度大、投资门槛高。为了克服改良西门子法生产多晶硅这些缺点，人们一直致力于研发新方法大规模生产高纯多晶硅，如硅烷热分解法、物理冶金法和钠还原四氟化硅法等等。硅烷热分解法是先用液钠和铝及氢气反应得氢化铝钠，再用氢化铝钠和四氟化硅反应得娃烧，或用其它方法制得的娃烧，再精懼提纯得闻纯娃烧。闻纯娃烧在约800°C热分解产生高纯多晶硅。硅烷法分解温度比西门子法氢还原温度略低，单程硅收率高，但硅烷及其他原料制备过程复杂，且存在易爆炸生产安全问题，生产综合成本比改良西门子法高。物理冶金法选杂质含量相对较低的工业粗硅作原料，经造渣和吹氧除杂质、粉碎酸洗除杂质、通气反应和真空熔炼脱气除杂质、定向凝固除杂质和高能粒子束除杂质等一系列手段制取高纯多晶硅。由于关键性杂质硼和磷不易通过上述手段从粗硅中除去，因而物理冶金法所得多晶硅纯度通常达不到高效太阳能电池对原料的要求。钠还原四氟化娃法用高纯四氟化娃和金属钠反应生成高纯多晶娃和氟化钠:SiF4+4Na — Si+4NaF此反应热力学极有利，反应转化率接近100%。反应的原料金属钠可由食盐电解得至|J，价格不贵。SiF4是由价格便宜来源充足的磷肥厂副产品氟硅酸钠加热分解得到:Na2SiF6 — SiF4+2NaF氟硅酸钠热分解时其杂质大多留在固相氟化钠中，所得SiF4气体很易提纯到关键有害杂质硼和磷等到0.1ppm以下。此工艺路线最早是由美国斯坦福研究院(SRIInternational)研发，1984-1988 年申报过多篇美国专利(US Patent4442082,4584181, 4590043，4597948，4642228，4748014, 4753783，4781565 等)。SRI 曾报导用该方法生产出的多晶硅可制得合格的太阳能电池，但只是小规模试验。SRI专利中的反应装置采用碳化硅作外壳。由于碳化硅很硬且无法烧结，加工制造大型反应器几乎不可能。另外SRI专利中采用石墨活塞开关控制硅料流出反应坩埚，但石墨活塞不耐用，在高温下很难操作无法保证工艺的稳定连续。SRI专利发表至今仍未见有产业化成功的报导。钠还原四氟化硅法制太阳能级多晶硅反应转化率接近100%，比改良西门子法和硅烷法反应效率高，比物理冶金法制得的多晶硅纯度要高，但SRI专利设计的钠还原四氟化硅反应装置用在工业化生产中很难实现，本专利技术目的在于提供一种合适的装置及其使用方法，可用于钠还原四氟化硅制备太阳能级多晶硅。
技术实现思路
本专利技术目的是提供一种通过钠还原四氟化硅制太阳能级多晶硅的半连续生产的装置及生产方法，可进行工业化生产，高效低成本地制得合格的太阳能级多晶硅。本专利技术公开了一种通过钠还原四氟化硅生产多晶硅的半连续生产装置及其操作使用方式。装置示意见 图1。其特征是装置分上下两室。上室2为反应室，下室8是产物接收室和转移室，上下两室间有一连接通道17。上下室及连接通道外壳都带有通冷却水的不锈钢水夹套，用于散热。上室2内放有高纯石墨坩埚5作为钠还原四氟化硅的反应器。石墨坩埚5外壁包裹保温毡4，外围有内通冷却水的中频电磁感应铜线圈3，通过电感加热可使石墨坩埚反应器及其中的物料控制在适当的温度(图1中石墨坩埚底部和侧面设有测温管T)。高纯四氟化硅气体由储罐供应，由不锈钢管线引入整个反应装置，装置内四氟化硅气体压力保持微正压(绝压0.102MPa至0.120MPa之间)。高纯金属钠由液钠储罐供应，钠储罐和输钠管线外围均带有导热油夹套，用导热油控制金属钠温度在熔点(98°C )至140°C之间。液体钠经过保温的不锈钢调节阀门I进入不锈钢加钠装置18，由其底部出口滴加到石墨坩埚5中。石墨坩埚5底部呈倒锥形，中心开有一小孔供融熔氟化钠或融熔硅坠入下室的接收容器中。紧贴石墨坩埚5锥形内底放有一个双锥台(双锥两头削平)形的石墨块6(详见图2)，该石墨双锥台6朝上的面用于进行反应并阻挡滴加的液钠通过坩埚底部中心小孔直接坠入到下室8，液钠只滴到锥台上面和四氟化硅反应。石墨双锥台6朝下的锥面锥度与坩埚5底部坡度吻合，在该下锥面由中心成放射状开有若干个沟槽19 (见图2)，和坩埚底形成若干个有一定倾角的细长通道。反应石墨坩埚5由泡沫石墨圆筒7支撑，泡沫石墨支撑7底部有一石墨圆筒17通到下室8，氟化钠或硅液体下滴通过石墨圆筒17的中心但不与石墨圆筒17壁接触，石墨圆筒17外包石墨保温毡16以减少热散失。下室8分隔成1#、2#和3#三个小室，三小室间有两个隔离门阀13和14，门阀开或关时小室间连通或隔离。中间(2#)接收室正对上室2，其内置一个方形组装式石墨容器11用于接收氟化钠和一个高纯石英坩埚10用于接收硅。1#间内置一套备用的氟化钠和硅的接收容器，3#间空着，待盛满物料的接收容器移入。两套接收容器(10和11)均放置于移动小车12之上，可根据工艺需求在接收室之间移动。1#和3#间侧面分别有一密封的大门9和15供取出和放入接收容器。需说明的是，上面所述的将下室设计成三小室的形式，其目的是为了实现半连续生产(如下文所述)，但本专利技术不以此为限制，在具体实施时，也可以采用其它下室的形式，如仅含一室的下室，此时是非连续的，但也可实现多晶硅的生产。投料反应时，通过调节电感线圈3的功率控制上室2中石墨坩埚反应器5内温度在硅熔点(1410°C )之下氟化钠熔点(993°C本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种通过钠还原四氟化硅制备太阳能级多晶硅的装置，其特征在于，包括上下两室，上室为反应室，设有反应物入口和产物出口，下室设有产物接收容器，两室由通道相连接；上室内置石墨坩埚，作为钠还原四氟化硅的反应器，石墨坩埚外围设有加热元件；石墨坩埚内底部呈倒锥形，中心开孔供液体物料坠入下室；该孔上覆盖一石墨双锥台，其上表面用于进行反应并阻挡液态钠直接坠入下室，该双锥台下锥的锥度与坩埚底部坡度相吻合，在该下锥的锥面上设有卸料通道，供液体物料汇流到石墨坩埚底部中心孔后坠入至下室的接收容器中。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：谢晓兵，谷奎庆，张斌，徐大闯，谢有畅，
申请(专利权)人：北京博大格林高科技有限公司，北京大学，
类型：发明
国别省市：
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