專利名稱：以高純石英砂為原料生產太陽能級多晶硅的方法
技術領域：
本發明涉及一種太陽能級多晶硅的生產方法，特別涉及 以高純石英砂為原料生產太陽能級多晶硅的方法。
技術背景隨著能源危機的到來，綠色能源、光伏產業迅猛發展， 太陽能電池用多晶硅材料已成為新能源產業的基石。我國多晶硅的自主供貨存在嚴重缺口， 95%以上依賴進口，近年多 晶硅市場售價的暴漲已經危及到我國多晶硅下游產業的正 常運營，并成為制約我國光伏產業發展的瓶頸。因此，研究 開發低成本太陽能級多晶硅的工藝技術，具有非常重要的意 義。世界先進的多晶硅生產技術過去一直由美、日、德三國 壟斷，其生產線工藝技術的產品質量定位幾乎均為電子級多晶硅，其生產方法可分為三類1. 以氯氣、氫氣冶金級工業硅為原料制取三氯氫硅， 再將三氯氫硅氫還原生產多晶硅。2. 以四氯化硅、冶金級硅、氫氣為原料制取高純硅烷，而后硅烷熱分解生成多晶硅的工藝技術。3.以氟硅酸、鈉、鋁、氫為原料制取高純硅垸，然后 分解的生產技術。這些方法普遍存在生長速率低、 一次轉換效率低、產量 低、還原溫度高、耗能高， 一次性投資大、建設周期長、投 入產出率低、生產成本高等的問題。并且副產品不能形成產 業鏈，造成嚴重的環境危機。 發明內容本發明的目的是要解決現有技術存在的上述問題，提供 一種以高純石英砂為原料生產太陽能級多晶硅的方法，該方 法利用高純石墨還原高純石英砂，再經過等離子提純、定向 凝固，可得6N級的太陽能級多晶硅，具有投資少，建設周 期短、生產成本低、工藝簡單、無污染、適合產業化的特點。本發明的技術解決方案是(1) 、選擇Si02的含量在99。/o以上的硅石料，進行水淬、粉碎、篩分、酸洗、磁選< 高壓電離，篩分時保證粉碎的顆 粒度大小為50 120目，篩分掉不符合要求的硅石顆粒； 酸洗時間為48 60小時；高壓電離的電壓為1 2萬伏，使 硅石顆粒純度達到99. 99%以上，得到高純石英砂；(2) 、把碳質還原劑和礦熱爐中的石墨電極在氯化爐中 高溫氯化，氯化溫度為1200 1800度，氯化時間20 40小 時，使碳質還原劑的純度達到99, 9999%以上(3) 、在礦熱爐中用碳質還原劑還原高純石英砂生產硅， 還原前把硅石顆粒燒結成4 10mm大小的顆粒，從礦熱爐中 定期放出熔硅；(4) 、把得到的硅液注入到保溫爐中，在非氧化氣氛下 對產品直接進行高頻等離子吹煉除雜，得到粗產品，高頻磁 場的電壓為8000 12000萬伏，頻率為1 3. 5兆，同時向熔 硅中添加氧化性氣體，以除去硼及鎂、鋁、鈣等金屬雜質；(5)、得到的粗產品注入定向凝固爐中進行定向凝固，通 過控制結晶速度和結晶方向，進一步提純硅，可得到6N級 的多晶硅。上述以高純石英砂為原料生產太陽能級多晶硅的方法， 酸洗時按照重量比采用由10 20%氫氟酸，10 25%濃鹽酸、 0 10%濃硝酸和余量水組成的混合酸。.上述以高純石英砂為原料生產太陽能級多晶硅的方法， 所述的碳質還原劑采用石油焦、炭黑、木炭中任意一種或任 意組合。上述以高純石英砂為原料生產太陽能級多晶硅的方法， 還原時從礦熱爐中每隔4 10小時放出熔硅。上述以高純石英砂為原料生產太陽能級多晶硅的方法， 所述的氧化性氣體是指氧氣、水汽、氯氣、四氯化硅中的一 種或任意組合。上述以高純石英砂為原料生產太陽能級多晶硅的方 法，所述的非氧化氣氛是指氫氣和氬氣的混合氣體或氮氣，混合氣體中按照體積比H2 20 30%、 Ar 80 70%。 本發明的優點(1) 投資少、建設周期短、生產成本低。 設備制造容易，物料循環簡單，耗電量低，每公斤約耗電180千瓦時，所以成本低。(2) 工藝簡單、適合產業化生產流程短，反應設備為分體結構，易于控制，便于推廣。(3) 低排放，無污染。酸洗的廢液，通過中和處理達到排放標準在排放。其他 的生產過程沒有污染物排放。
具體實施方式
實施例1:(1)、選擇Si02的含量在99y。以上的硅石料，進行水淬、 粉碎、篩分、酸洗、磁選、高壓電離，篩分時保證粉碎的顆 粒度大小為50 120目，篩分掉不符合要求的硅石顆粒； 酸洗時可采用按照重量比由10 20%氫氟酸，10 25%濃鹽 酸、0 10%濃硝酸和余量水組成的混合酸，酸洗時間為48 60小時；高壓電離的電壓為1 2萬伏，使硅石顆粒純度達 到99.99%以上，得到高純石英砂。(2) 、把碳質還原劑和礦熱爐中的石墨電極在氯化爐中 高溫氯化，所述的碳質還原劑可采用石油焦、炭黑、木炭中 任意一種或任意組合，組合時各組份配比不限。氯化溫度為 1200 1800度，氯化時間20 40小時，使碳質還原劑的純 度達到99. 9999%以上。(3) 、在礦熱爐中用碳質還原劑還原高純石英砂生產硅， 還原前把硅石顆粒燒結成4 10mm大小的顆粒，從礦熱爐中 定期放出熔硅，定期是指每隔4 10小時。(4) 、把得到的硅液注入到保溫爐中，在非氧化氣氛下 對產品直接進行高頻等離子吹煉除雜，得到粗產品，所述的 非氧化氣氛是指氫氣和氬氣的混合氣體或氮氣，混合氣體中 按照體積比H2 20 30%、 Ar 80 70%;高頻磁場的電壓為 8000 12000萬伏，頻率為1 3. 5兆，同時向熔硅中添加氧化 性氣體，所述的氧化性氣體是指氧氣、水汽、氯氣、四氯化 硅中的一種或任意組合，組合時各組份配比不限，以除去硼 及鎂、鋁、鈣等金屬雜質。(5 )、得到的粗產品注入定向凝固爐中進行定向凝固， 通過控制結晶速度和結晶方向，進一步提純硅，可得到6N 級的多晶硅。 實施例2:(1)、選擇Si02的含量在99。/。以上的硅石料，進行水淬、 粉碎、篩分、酸洗、磁選、高壓電離，篩分時保證粉碎的顆粒度大小為50 120目，篩分掉不符合要求的硅石顆粒； 酸洗時可釆用按照重量比由10 20%氫氟酸(濃度40%)， 10 25%濃鹽酸(濃度36-37%)、 0 10%濃硝酸(濃度60%以上) 和余量水組成的混合酸，酸洗時間為48 60小時；高壓電 離的電壓為1. 2 1. 8萬伏，使硅石顆粒純度達到99. 99%以 上，得到高純石英砂。(2)、把碳質還原劑和礦熱爐中的石墨電極在氯化爐中 高溫氯化，所述的碳質還原劑可采用石油焦、炭黑、木炭中 任意一種或任意組合，組合時各組份配比不限。氯化溫度為 1400 1600度，氯化時間28 32小時，使碳質還原劑的純 度達到99. 9999%以上。(3) 、在礦熱爐中用碳質還原劑還原高純石英砂生產硅， 還原前把硅石顆粒燒結成4 10mm大小的顆粒，從礦熱爐中 定期(每隔7 9小時)放出熔硅。(4) 、把得到的硅液注入到保溫爐中，在非氧化氣氛下 對產品直接進行高頻等離子吹煉除雜，得到粗產品，所述的 非氧化氣氛是指氫氣和氬氣的混合氣體或氮氣，混合氣體中 按照體積比H2 20 30%、 Ar 80 70%;高頻磁場的電壓為 9000 11000萬伏，頻率為2. 2 2. 5兆，同時向熔硅中添加氧 化性氣體，所述的氧化性氣體是指氧氣、水汽、氯氣、四氯 化硅中的一種或任意組合，組合時各組份配比不限，以除去 硼及鎂、鋁、鈣等金屬雜質。(5)、得到的粗產品注入定向凝固爐中進行定向凝固，通 過控制結晶速度和結晶方向，進一步提純硅，可得到6N級 的多晶硅。
權利要求
1. 一種以高純石英砂為原料生產太陽能級多晶硅的方法，其特征是1.1、選擇SiO2的含量在99％以上的硅石料，進行水淬、粉碎、篩分、酸洗、磁選、高壓電離，篩分時保證粉碎的顆粒度大小為50～120目，篩分掉不符合要求的硅石顆粒；酸洗時間為48～60小時；高壓電離的電壓為1～2萬伏，使硅石顆粒純度達到99.99％以上，得到高純石英砂；1.2、把碳質還原劑和礦熱爐中的石墨電極在氯化爐中高溫氯化，氯化溫度為1200～1800度，氯化時間20～40小時，使碳質還原劑的純度達到99.9999％以上；1.3、在礦熱爐中用碳質還原劑還原高純石英砂生產硅，還原前把硅石顆粒燒結成4～10mm大小的顆粒，從礦熱爐中定期放出硅液；1.4、把得到的硅液注入到保溫爐中，在非氧化氣氛下對產品直接進行高頻等離子吹煉除雜，得到粗產品，高頻磁場的電壓為8000～12000萬伏，頻率為1～3.5兆，同時向熔硅中添加氧化性氣體，以除去硼及鎂、鋁、鈣等金屬雜質；1.5、得到的粗產品注入定向凝固爐中進行定向凝固，通過控制結晶速度和結晶方向，進一步提純硅，去除兩頭雜質高的部分，可得到太陽能級多晶硅。
2.根據權利要求1所述以高純石英砂為原料生產太陽能級多晶硅的方法，其特征是酸洗時按照重量比采用由10 20%氫氟酸，10 25%濃鹽酸、0 10%濃硝酸和余量水組成 的混合酸。
3、 根據權利要求1所述以高純石英砂為原料生產太陽 能級多晶硅的方法，其特征是所述的碳質還原劑采用石油 焦、炭黑、木炭中任意一種或任意組合。
4、 根據權利要求1所述以高純石英砂為原料生產太陽 能級多晶硅的方法，其特征是還原時從礦熱爐中每隔4 IO小時放出硅液。
5、 根據權利要求l所述以高純石英砂為原料生產太陽能級多晶硅的方法，其特征是所述的氧化性氣體是指氧氣、水汽、氯氣、四氯化硅中的一種或任意組合。
6、根據權利要求l所述以高純石英砂為原料生產太陽能級多晶硅的方法，其特征是:所述的非氧化氣氛是指氫氣和氬氣的混合氣體承氮氣，混合氣體中按照體積比H2 20 30%、 Ar 80 70%。
全文摘要
一種以高純石英砂為原料生產太陽能級多晶硅的方法，選擇SiO<sub>2</sub>的含量在99％以上的硅石料，進行水淬、粉碎、篩分、酸洗、磁選、高壓電離，使硅石顆粒純度達到99.99％以上，得到高純石英砂；把碳質還原劑和礦熱爐中的石墨電極在氯化爐中高溫氯化，使碳質還原劑的純度達到99.9999％以上；在礦熱爐中用碳質還原劑還原高純石英砂生產硅，生產過程中，從礦熱爐中定期放出硅液；把得到的硅液注入到保溫爐中，在非氧化氣氛下對產品直接進行高頻等離子吹煉除雜，同時向熔硅中添加氧化性氣體；再把硅液注入到定向凝固爐中進行定向凝固，進一步提純硅，即可得到太陽能級多晶硅。優點是投資少，建設周期短、生產成本低、工藝簡單、無污染、適合產業化。
文檔編號C01B33/025GK101259963SQ20081001037
公開日2008年9月10日 申請日期2008年2月5日 優先權日2008年2月5日
發明者張守芬, 張海濤, 張海霞, 賀玉凱 申請人:錦州新世紀石英玻璃有限公司