電弧等離子體真空冶煉提純工業(yè)級(jí)硅制備高純多晶硅.pdf

1、溫室效應(yīng)及能源危機(jī)等全球性問(wèn)題日益突出，有效地利用清潔而用之不竭的太陽(yáng)能變得越來(lái)越重要。近幾年，光伏行業(yè)正在經(jīng)歷著快速發(fā)展期，2006年光伏組件的產(chǎn)量達(dá)到了1195MW。按照25％的年預(yù)測(cè)增長(zhǎng)率，到2020年全世界光伏產(chǎn)量將達(dá)到18GW，因此需要大量的硅給料供應(yīng)。最近7年來(lái)中國(guó)光伏業(yè)發(fā)展最為快速，年增長(zhǎng)率高達(dá)70％，在2006年中國(guó)光伏產(chǎn)品的產(chǎn)量榮膺世界第3位。許多商業(yè)運(yùn)營(yíng)的光伏發(fā)電站由晶體硅太陽(yáng)能電池建造。硅給料的缺乏可能會(huì)阻礙光伏業(yè)

2、將來(lái)的快速發(fā)展。因此必需開發(fā)一種專用于光伏行業(yè)的大量的低成本的太陽(yáng)能級(jí)硅給料資源來(lái)保持光伏業(yè)的快速增長(zhǎng)。其中最直截的方法就是用冶金法提純工業(yè)級(jí)硅制備太陽(yáng)能級(jí)硅，但是直到目前為止仍沒(méi)有一種可以實(shí)現(xiàn)低成本去除工業(yè)級(jí)硅中的B和P的方法。本研究旨在開發(fā)一種利用冶金法提純工業(yè)級(jí)硅生產(chǎn)太陽(yáng)能級(jí)硅的并在大規(guī)模生產(chǎn)時(shí)的目標(biāo)成本有望低于傳統(tǒng)方案的一種全新的硅提純技術(shù)。 根據(jù)提純研究的需要，本實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)了用于精煉提純工業(yè)級(jí)硅制高純多晶硅的高純硅電弧

3、等離子體真空冶煉系統(tǒng)。電弧等離子體真空冶煉系統(tǒng)包括熔煉裝置、真空室及其支架、電弧等離子體炬、電弧電源、感應(yīng)加熱裝置、感應(yīng)電源、保溫結(jié)構(gòu)、高純石墨/石英坩堝、進(jìn)電裝置、水冷系統(tǒng)、真空機(jī)組、升降機(jī)構(gòu)、測(cè)溫、測(cè)壓及控制部分等組成。爐體為立式雙層內(nèi)水冷結(jié)構(gòu)。此冶煉爐具有真空冶煉提純、化學(xué)冶煉提純、定向凝固分凝提純的功能。在固態(tài)時(shí)硅是不良導(dǎo)體，但處于熔融態(tài)的硅具有良好的導(dǎo)電性。在真空條件或氬氣保護(hù)下，中頻感應(yīng)電源向感應(yīng)線圈供電，感應(yīng)線圈把電源輸出

4、的能量耦合到高純石墨坩堝并加熱坩堝，通過(guò)熱輻射和熱傳導(dǎo)石墨坩堝加熱放于其內(nèi)的石英坩堝、石英坩堝加熱置于其內(nèi)的工業(yè)級(jí)硅，硅全部熔化后可啟用加熱效率更高的電弧等離子體加熱。 硅熔體中的P、Al、Ca、Mg、Na和Cl等雜質(zhì)具有較高蒸汽壓且具有易揮發(fā)性，因而可以通過(guò)真空冶煉處理來(lái)去除或部分去除，真空度對(duì)雜質(zhì)的去除速度及去除率具有一定的影響；在電弧等離子體的工作氣體氬氣流中摻入一定量的具有反應(yīng)活性的氧化性氣體，此氧化性氣體在電弧氛圍中被

5、電離成反應(yīng)活性更高的離子，活性離子較易與難揮發(fā)的非金屬雜質(zhì)和部分金屬雜質(zhì)的發(fā)生氧化反應(yīng)并形成揮發(fā)性氣態(tài)熔渣和穩(wěn)定的固/液態(tài)熔渣，近而去除難揮發(fā)的非金屬和金屬雜質(zhì)；向硅熔體中加入造渣劑進(jìn)行造渣，生成漂浮于液面或沉于坩堝底部的冶煉熔渣，這樣可以進(jìn)一步去除真空和氧化精煉中仍難以去除的某些非金屬和金屬雜質(zhì)；最后，通過(guò)控制銅制水冷支桿的升降速度來(lái)控制凝固面的移動(dòng)速度使硅中雜質(zhì)發(fā)生分凝現(xiàn)象，可以去除絕大多數(shù)分凝系數(shù)較低的金屬雜質(zhì)。用這種方法對(duì)0.7