專利名稱：太陽(yáng)能級(jí)多晶硅大錠的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種多晶硅，尤其是涉及一種太陽(yáng)能級(jí)多晶硅大錠的制備方法。
背景技術(shù)：
隨著光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，對(duì)太陽(yáng)能級(jí)硅特別是多晶硅的需求非常大，國(guó)際上已經(jīng)形成開(kāi)發(fā)低成本、低能耗的太陽(yáng)能級(jí)多晶硅生產(chǎn)的新工藝技術(shù)浪潮?，F(xiàn)有的太陽(yáng)能級(jí)硅材料鑄造工藝主要有定向凝固法和澆注法兩種。在定向凝固工藝中，設(shè)備的制造、成本和溫度梯度的控制，都存在一定的難度，國(guó)內(nèi)外(1、林安中，劉方武，沈華元等.10kg級(jí)太陽(yáng)電池用多晶硅錠的研究.太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，1992，13(2)107～110；2、席珍強(qiáng)，楊德仁，陳君.鑄造多晶硅的研究進(jìn)展.材料導(dǎo)報(bào)，2001，15(2)66～69)主要在真空爐內(nèi)采用石英坩堝實(shí)現(xiàn)定向凝固，該法存在產(chǎn)量小、成本高和設(shè)備利用率低等缺點(diǎn)。從生產(chǎn)多晶硅硅錠的發(fā)展方向來(lái)看，硅錠傾向于鑄造大錠的方向發(fā)展，采用大錠既能降低能耗，又能提高硅錠的可利用率。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有的太陽(yáng)能級(jí)多晶硅鑄造工藝存在的產(chǎn)量小、成本高和設(shè)備利用率低等缺點(diǎn)，提供一種可明顯降低能耗與成本，設(shè)備簡(jiǎn)單，成品率(開(kāi)錠率)高的太陽(yáng)能級(jí)多晶硅大錠的制備方法。
本發(fā)明包括以下步驟1)將硅料加入到加熱爐中加熱，使硅料全部熔化成硅水；2)向加熱爐中的硅水加入太陽(yáng)能硅造渣劑，除去硅料中的磷和其他金屬雜質(zhì)；3)向加熱爐中的硅水通入水蒸汽，對(duì)其除硼，得到熔融精煉后的硅水；4)將熔融精煉后的硅水溫度升高到1500～1700℃；5)將保溫爐內(nèi)部和石墨模具電加熱至溫度為500～1400℃后，打開(kāi)保溫爐爐蓋，將硅水倒入已經(jīng)加熱的石墨模具中，在石墨模具上蓋上石墨板蓋，然后蓋上保溫爐爐蓋；6)控制保溫爐內(nèi)硅水溫度在1450～1600℃，并使其靜置；7)調(diào)整保溫爐內(nèi)部和石墨模具四周的溫度到1400～1430℃；8)控制保溫爐內(nèi)部和石墨模具四周的溫度下降，直到溫度下降到1000～1200℃，使石墨模具中硅水的固液界面由表及里逐漸向模具的中心移動(dòng)，雜質(zhì)逐漸向模具的中心集中；
9)讓逐漸凝固的結(jié)晶大錠在保溫爐內(nèi)從1000～1200℃自然降溫，直到溫度下降到200～400℃，即可以將其從保溫爐中吊出來(lái)在空氣中自然冷卻，得目標(biāo)產(chǎn)物太陽(yáng)能級(jí)多晶硅大錠。
在步驟1)中，所述的硅料最好為1～3t，加熱爐最好為1～6臺(tái)，加熱爐可采用中頻感應(yīng)爐。在步驟2)中，太陽(yáng)能硅造渣劑選用硅酸鈣、硅酸鈉、碳酸鋇或硼砂等中的一種或二種，按質(zhì)量比，硅水∶太陽(yáng)能硅造渣劑＝100∶(2～15)。在步驟3)中，水蒸汽的流量最好在3.5～60L/min，通水蒸汽的時(shí)間為5～40min，最好為30min。在步驟4)中，將熔融精煉后的硅水的溫度最好升高到1650℃。在步驟5)中，最好將保溫爐內(nèi)電加熱至溫度為1300℃。在步驟6)中，控制保溫爐內(nèi)硅水溫度最好為1550℃，并使其靜置1～2h。在步驟7)中，調(diào)整保溫爐內(nèi)部及石墨模具四周的溫度最好到1420℃。在步驟8)中，控制保溫爐內(nèi)部及石墨模具四周的溫度的下降速度為5～50℃/h。在步驟9)中，讓逐漸凝固的結(jié)晶大錠在保溫爐內(nèi)從1000～1200℃自然降溫的下降速度為50～300℃/h。
對(duì)太陽(yáng)能級(jí)多晶硅大錠可進(jìn)行去皮、破開(kāi)、去除雜質(zhì)集中的部分等精整和檢驗(yàn)后得到多晶硅材料。
按此過(guò)程得到的硅錠的尺寸可達(dá)到(800mm×800mm×700mm)～(1200mm×1200mm×900mm)，其質(zhì)量達(dá)到1～3t，比我國(guó)江西LDK集團(tuán)生產(chǎn)的275Kg、德國(guó)公司生產(chǎn)的800Kg和日本的公司240～280Kg的硅錠都要大。同時(shí)，與現(xiàn)有的太陽(yáng)能級(jí)多晶硅鑄造工藝相比，本發(fā)明所制得的硅錠成品部分無(wú)氣孔、無(wú)裂紋，晶體多為柱狀晶，只有中心少量為枝狀晶、并存在氣孔等鑄造缺陷；與同樣條件下生產(chǎn)的小硅錠相比，其能耗平均降低在40％以上，成本下降在50％，因此運(yùn)用本發(fā)明能取得較大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
圖1為本發(fā)明實(shí)施例所采用的保溫爐的主視結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本發(fā)明實(shí)施例所采用的保溫爐的俯視結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
參見(jiàn)圖1，保溫爐外殼1由厚度5mm的鋼板制成，內(nèi)襯2依次采用三層標(biāo)準(zhǔn)耐火磚砌筑，在底層采用耐火材料填充，以使坩堝石墨模具3能夠比較平穩(wěn)地放置。在外殼1與內(nèi)襯2之間設(shè)有保溫石棉板4，在中間采用硅碳棒加熱裝置加熱，加熱裝置的加熱溫度可調(diào)，溫度調(diào)節(jié)范圍在500～1400℃；中間擱置石墨模具3，以此裝硅液，石墨模具3采用高純度、高強(qiáng)度、高致密性的石墨板制成，構(gòu)成一整體。在石墨模具3上方有一蓋板5。
以下給出制備太陽(yáng)能級(jí)多晶硅大錠的一些實(shí)例。
實(shí)施例1
將礦熱爐冶煉后的金屬硅水3t倒入5臺(tái)中頻感應(yīng)爐中加熱，加入太陽(yáng)能硅造渣劑硅酸鈣6％，除去硅料中的磷和其他金屬雜質(zhì)，再通入水蒸汽，對(duì)其除硼，水蒸汽流量為30L/min，通水蒸汽時(shí)間為26min。將經(jīng)過(guò)處理后的硅水的溫度過(guò)熱到1700℃，將硅水緩慢地倒入已經(jīng)加熱到1000℃的保溫爐內(nèi)，將保溫爐采用全功率加熱，控制保溫爐內(nèi)溫度1500℃，使硅水靜置1h，將保溫爐的溫度快速下降到1400℃，保溫爐溫度的下降速度為7℃/h，直到保溫爐內(nèi)溫度下降至1080℃。再將保溫爐溫度下降直到300℃，溫度下降速度為100℃/h，最后讓其在空氣中自然冷卻，獲得質(zhì)量為2.3t的多晶硅大錠。
實(shí)施例2將硅料1.9t加入到4臺(tái)中頻感應(yīng)爐中，直接采用全功率加熱，使硅料全部熔化，硅料熔化后先加入太陽(yáng)能硅造渣劑碳酸鋇10％，除去硅料中的磷和其他金屬雜質(zhì)，再通入水蒸汽，對(duì)其除硼，水蒸汽流量為27L/min，通水蒸汽時(shí)間為25min。將經(jīng)過(guò)后的硅水的溫度過(guò)熱到1600℃，將硅水緩慢地倒入已經(jīng)加熱到1250℃的保溫爐內(nèi)，將保溫爐采用全功率加熱，控制保溫爐內(nèi)溫度1600℃，使硅水靜置2h，將保溫爐的溫度快速下降到1420℃，將保溫爐的溫度繼續(xù)下降，溫度的下降速度為11℃/h，直到保溫爐內(nèi)溫度下降至1150℃。再將保溫爐溫度繼續(xù)下降，直到保溫爐溫度下降到280℃，溫度下降速度為200℃/h，最后讓其快速自然冷卻，獲得質(zhì)量為1.5t的多晶硅大錠。
實(shí)施例3將硅料1.5t加入到3臺(tái)中頻感應(yīng)爐中，直接采用全功率加熱，使硅料全部熔化，硅料熔化后先加入太陽(yáng)能硅造渣劑碳酸鋇4％、硅酸鈉4％，除去硅料中的磷和其他金屬雜質(zhì)，再通入水蒸汽，對(duì)其除硼，水蒸汽流量為15L/min，通水蒸汽時(shí)間為40min。將經(jīng)過(guò)后的硅水的溫度過(guò)熱到1500℃，將硅水緩慢地倒入已經(jīng)加熱到1400℃的保溫爐內(nèi)，將保溫爐采用全功率加熱，控制保溫爐內(nèi)溫度1400℃，使硅水靜置1h，將保溫爐的溫度快速下降到1430℃，將保溫爐的溫度繼續(xù)下降，溫度的下降速度為40℃/h，直到保溫爐內(nèi)溫度下降至1000℃。再將保溫爐溫度繼續(xù)下降，直到保溫爐溫度下降到200℃，溫度下降速度為300℃/h，最后讓其快速自然冷卻，獲得質(zhì)量為1.2t的多晶硅大錠。
實(shí)施例4將礦熱爐冶煉后的金屬硅水2t倒入1臺(tái)中頻感應(yīng)爐中加熱，加入太陽(yáng)能硅造渣劑硼砂15％，除去硅料中的磷和其他金屬雜質(zhì)，再通入水蒸汽，對(duì)其除硼，水蒸汽流量為3.5L/min，通水蒸汽時(shí)間為5min。將經(jīng)過(guò)處理后的硅水的溫度過(guò)熱到1650℃，將硅水緩慢地倒入已經(jīng)加熱到1350℃的保溫爐內(nèi)，將保溫爐采用全功率加熱，控制保溫爐內(nèi)溫度1550℃，使硅水靜置1.2h，將保溫爐的溫度快速下降到1410℃，保溫爐溫度的下降速度為30℃/h，直到保溫爐內(nèi)溫度下降至1000℃。再將保溫爐溫度下降直到300℃，溫度下降速度為150℃/h，最后讓其在空氣中自然冷卻，即獲得1.5t多晶硅大錠。
實(shí)施例5將硅料1.4t加入到2臺(tái)中頻感應(yīng)爐中，直接采用全功率加熱，使硅料全部熔化，硅料熔化后先加入太陽(yáng)能硅造渣劑硼砂3％、硅酸鈣5％，除去硅料中的磷和其他金屬雜質(zhì)，再通入水蒸汽，對(duì)其除硼，水蒸汽流量為60L/min，通水蒸汽時(shí)間為20min。將經(jīng)過(guò)后的硅水的溫度過(guò)熱到1550℃，將硅水緩慢地倒入已經(jīng)加熱到1400℃的保溫爐內(nèi)，將保溫爐采用全功率加熱，控制保溫爐內(nèi)溫度1480℃，使硅水靜置1.3h，將保溫爐的溫度快速下降到1425℃，將保溫爐的溫度繼續(xù)下降，溫度的下降速度為50℃/h，直到保溫爐內(nèi)溫度下降至1180℃。再將保溫爐溫度繼續(xù)下降，直到保溫爐溫度下降到280℃，溫度下降速度為50℃/h，最后讓其在空氣中自然冷卻，即獲得1.15t多晶硅大錠。
實(shí)施例6將礦熱爐冶煉后的金屬硅水2.8t倒入6臺(tái)中頻感應(yīng)爐中加熱；加入太陽(yáng)能硅造渣劑硅酸鈣2％，除去硅料中的磷和其他金屬雜質(zhì)，再通入水蒸汽，對(duì)其除硼，水蒸汽流量為40L/min，通水蒸汽時(shí)間為30min。將經(jīng)過(guò)處理后的硅水的溫度過(guò)熱到1650℃，將硅水緩慢地倒入已經(jīng)加熱到1200℃的保溫爐內(nèi)，將保溫爐采用全功率加熱，控制保溫爐內(nèi)溫度1500℃，使硅水靜置1h，將保溫爐的溫度快速下降到1400℃，保溫爐溫度的下降速度為7℃/h，直到保溫爐內(nèi)溫度下降至1080℃。再將保溫爐溫度下降直到300℃，溫度下降速度為100℃/h，最后讓其在空氣中自然冷卻，獲得質(zhì)量為2.2t的多晶硅大錠。
實(shí)施例7將礦熱爐冶煉后的金屬硅水1.5t倒入1臺(tái)中頻感應(yīng)爐中加熱，加入太陽(yáng)能硅造渣劑硼砂5％，除去硅料中的磷和其他金屬雜質(zhì)，再通入水蒸汽，對(duì)其除硼，水蒸汽流量為3.5L/min，通水蒸汽時(shí)間為5min。將經(jīng)過(guò)處理后的硅水的溫度過(guò)熱到1650℃，將硅水緩慢地倒入已經(jīng)加熱到500℃的保溫爐內(nèi)，將保溫爐采用全功率加熱，控制保溫爐內(nèi)溫度1550℃，使硅水靜置1.2h，將保溫爐的溫度快速下降到1410℃，保溫爐溫度的下降速度為5℃/h，直到保溫爐內(nèi)溫度下降至1200℃。再將保溫爐溫度下降直到400℃，溫度下降速度為150℃/h，最后讓其在空氣中自然冷卻，即獲得1.2t多晶硅大錠。
權(quán)利要求
1.太陽(yáng)能級(jí)多晶硅大錠的制備方法，其特征在于包括以下步驟1)將硅料加入到加熱爐中加熱，使硅料全部熔化成硅水；2)向加熱爐中的硅水加入太陽(yáng)能硅造渣劑，除去硅料中的磷和其他金屬雜質(zhì)；3)向加熱爐中的硅水通入水蒸汽，對(duì)其除硼，得到熔融精煉后的硅水；4)將熔融精煉后的硅水溫度升高到1500～1700℃；5)將保溫爐內(nèi)部和石墨模具電加熱至溫度為500～1400℃后，打開(kāi)保溫爐爐蓋，將硅水倒入已經(jīng)加熱的石墨模具中，在石墨模具上蓋上石墨板蓋，然后蓋上保溫爐爐蓋；6)控制保溫爐內(nèi)硅水溫度在1450～1600℃，并使其靜置；7)調(diào)整保溫爐內(nèi)部和石墨模具四周的溫度到1400～1430℃；8)控制保溫爐內(nèi)部和石墨模具四周的溫度下降，直到溫度下降到1000～1200℃，使石墨模具中硅水的固液界面由表及里逐漸向模具的中心移動(dòng)，雜質(zhì)逐漸向模具的中心集中；9)讓逐漸凝固的結(jié)晶大錠在保溫爐內(nèi)從1000～1200℃自然降溫，直到溫度下降到200～400℃，即可以將其從保溫爐中吊出來(lái)在空氣中自然冷卻，得目標(biāo)產(chǎn)物太陽(yáng)能級(jí)多晶硅大錠。
2.如權(quán)利要求1所述的太陽(yáng)能級(jí)多晶硅大錠的制備方法，其特征在于在步驟1)中，所述的加熱爐為1～6臺(tái)，加熱爐為中頻感應(yīng)爐。
3.如權(quán)利要求1所述的太陽(yáng)能級(jí)多晶硅大錠的制備方法，其特征在于在步驟2)中，太陽(yáng)能硅造渣劑選自硅酸鈣、硅酸鈉、碳酸鋇或硼砂中的一種或二種。
4.如權(quán)利要求1或3所述的太陽(yáng)能級(jí)多晶硅大錠的制備方法，其特征在于在步驟2)中，按質(zhì)量比，硅水∶太陽(yáng)能硅造渣劑＝100∶2～15。
5.如權(quán)利要求1所述的太陽(yáng)能級(jí)多晶硅大錠的制備方法，其特征在于在步驟3)中，水蒸汽的流量在3.5～60L/min，通水蒸汽的時(shí)間為5～40min。
6.如權(quán)利要求1所述的太陽(yáng)能級(jí)多晶硅大錠的制備方法，其特征在于在步驟4)中，將熔融精煉后的硅水的溫度升高到1650℃。
7.如權(quán)利要求1所述的太陽(yáng)能級(jí)多晶硅大錠的制備方法，其特征在于在步驟6)中，控制保溫爐內(nèi)硅水溫度為1550℃，并使其靜置1～2h。
8.如權(quán)利要求1所述的太陽(yáng)能級(jí)多晶硅大錠的制備方法，其特征在于在步驟7)中，調(diào)整保溫爐內(nèi)部及石墨模具四周的溫度到1420℃。
9.如權(quán)利要求1所述的太陽(yáng)能級(jí)多晶硅大錠的制備方法，其特征在于在步驟8)中，控制保溫爐內(nèi)部及石墨模具四周的溫度的下降速度為5～50℃/h。
10.如權(quán)利要求1所述的太陽(yáng)能級(jí)多晶硅大錠的制備方法，其特征在于在步驟9)中，讓逐漸凝固的結(jié)晶大錠在保溫爐內(nèi)從1000～1200℃自然降溫的下降速度為50～300℃/h。
全文摘要
太陽(yáng)能級(jí)多晶硅大錠的制備方法，涉及一種多晶硅。提供一種可明顯降低能耗與成本，設(shè)備簡(jiǎn)單，成品率高的太陽(yáng)能級(jí)多晶硅大錠的制備方法。將硅料加熱熔化成硅水，加入太陽(yáng)能硅造渣劑，除去雜質(zhì)；向硅水通水蒸汽除硼，升溫到1500～1700℃；將保溫爐內(nèi)部和石墨模具電加熱至溫度為500～1400℃后，硅水倒入石墨模具中，控制保溫爐內(nèi)硅水溫度在1450～1600℃，調(diào)整保溫爐內(nèi)部和石墨模具四周的溫度到1400～1430℃，再下降到1000～1200℃，使石墨模具中硅水的固液界面由表及里逐漸向模具的中心移動(dòng)，雜質(zhì)逐漸向模具的中心集中；讓保溫爐內(nèi)從1000～1200℃自然降溫到200～400℃，自然冷卻即可。
文檔編號(hào)C30B28/00GK101092741SQ200710009238
公開(kāi)日2007年12月26日 申請(qǐng)日期2007年7月17日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月17日
發(fā)明者蘇智毅, 洪永強(qiáng), 楊繼榮 申請(qǐng)人:佳科太陽(yáng)能硅(廈門)有限公司