冶金法制备太阳能级多晶硅的原理与生产工艺研究进展.pdf

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1、第3期矿产综合利用No．32011年6月MultipurposeUtilizationofMineralResourcesJun．201l冶金法制备太阳能级多晶硅的原理与生产工艺研究进展念保义，陈兴顺，何绍福(三明学院资源开发与规划研究所，福建三明365004)摘要：随着硅集成电路和器件以及太阳能电池产业的快速发展，导致了高纯多晶硅的严重脱销和价格暴涨，制约了光伏发电产业的发展。由于硅材料的成本约占太阳能电池总成本的50％左右，所以低成本提纯冶金硅至太阳能级硅工艺技术越来越受到广泛重视，成为研究开发热点。分析了全球光伏产业的发展

2、现状和趋势，重点阐述了冶金法制备太阳能级多晶硅的原理，分析比较了几种典型低成本生产太阳能级多晶硅的技术工艺，并指出未来冶金法的发展趋势。关键词：冶金法；太阳能级多晶硅；研究进展中图分类号：TF111文献标识码：A文章编号：1000-6532(2011)03-0008-06单晶硅(Si)是信息技术、电子技术和光伏技术的最重要的基础材料，是影响国家未来在高科技和能源领域的全局性利益和地位的战略资源。面对当前世界性传统能源的枯竭，石油价格持续攀升的形势，太阳能作为可再生的洁净能源的独特优势受到】{卜、_，了世界各国的高度重视。近十年，

3、半导体级和太阳＼能级硅的需求分别以每年5％和20％速度急剧递略增⋯。图1为未来全球太阳能级硅的需求状况，从中可以看出世界对太阳能级硅的需求旺盛，由于si材料的成本约占太阳能电池总成本的50％，所以，价格昂贵的si材料成为制约光伏产业发展的重要因素。在相同光致效率(conversionefficiencyoflight—induced)下，降低si材料的成本是降低硅太图l未来全球太阳能级硅的需求状况阳能电池成本的关键措施。因此，为了满足光伏产业对多晶硅原材料的强大需求，大力开发针对太阳主要应用于高精密的电子芯片。但是，由于副产物能

4、用高纯多晶硅的低成本生产技术，已成为国际光SiCI对环境产生严重的污染，能耗高，其中电力成伏产业竞争的焦点J。本占总成本的70％，光致转化效率低于20％，工艺高纯多晶硅的生产方法主要有化学法和冶金法流程长而且投资巨大约lO亿人民币】。冶金法也两类。化学法主要采用日本的改良西门子法，该法称物理法，从1996年起，在日本新能源和产业技术通过控制SiHCI，纯度，不仅可生产太阳能级多晶硅开发组织的支持下，日本川崎制铁公司(Kawasaki(6—8N)而且还可生产半导体级多晶硅(9—11N)，Stee1)开发出了由冶金级硅生产太阳能级多

5、晶硅的是目前化学法生产多晶硅最为成熟的工艺，其产品方法。该方法采用了电子束和等离子冶金技术并结收稿日期：2010．11．10；改回日期：2011-02．15基金项目：福建省教育厅科技项目(JA09234)；福建省高校服务海西重点项目(HX200806)资助作者简介：念保义(1963一)，男，教授’，主要从事有机合成研究。第3期念保义等：冶金法制备太阳能级多晶硅的原理与生产工艺研究进展。9·合了定向凝固方法，是世界上最早宣布成功生产出精练以后都能够满足太阳能级硅的要求。但是定向太阳能级多晶硅的冶金法(metallurgicalme

6、thod)。。凝固工艺能耗高，成本比较高，通过减少定向凝固的冶金法的主要工艺是选择纯度较好的工业硅进行水次数，可大幅度的降低太阳能级硅的生产成本。根平区熔单向凝固成硅锭，除去硅锭中金属杂质聚集据晶体生长理论和杂质分凝原理，动态调整结晶速的部分和外表部分后，进行粗粉碎与清洗，在等离子度、控制结晶过程中固一液界面的形状，是应用定向体融解炉中除去硼杂质，再进行第二次水平区熔单凝固原理提纯冶金硅、取得较高成品率的关键因素。向凝固成硅锭，之后除去第二次区熔硅锭中金属杂1．2饱和蒸汽压原理质聚集的部分和外表部分，经粗粉碎与清洗后，在电真空条

7、件下除杂的效果主要取决于杂质的蒸汽子束融解炉中除去磷和碳杂质，直接生成出太阳能压、炉内的真空度和熔炼的温度，是挥发去除杂质的级多晶硅。冶金法具有节能环保、工序短、成本低，主要途径，比基体饱和蒸气压大的杂质元素容易除特别是投资少，可灵活根据资金状况，控制投资规掉，但也有不利的一面，即基体由于挥发损失很大。模，但是冶金法提炼的多晶硅纯度低，通常只有4—利用硅中P、AI、Na、Mg、S、CI等杂质具有远大于硅6N，该纯度的多晶硅只能作为太阳能电池上应用，元素的饱和蒸气压，在高温真空环境中更易以气体而无法应用于高端的电子芯片。通过多次凝

8、固结晶形态从硅熔体表面挥发出去的特性，应用高真空设提纯，再辅助等离子体、超声波和激光诱导等方法，备，抽出硅熔体中挥发的杂质气体达到去除杂质的虽然纯度有所提高，但能耗大，纯度提高有限，特别目的。尤其是硅熔体中分凝系数较大，对硅材料性是无法根除多晶硅中硼、磷元素。本