冶金法制备太阳能级多晶硅-论文.pdf

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1、52湖南有色金属第3O卷第2期HUNANN0NFERI1OUSMETALS2014年4月冶金法制备太阳能级多晶硅姚金江(湖南有色金属研究院，湖南长沙410100)摘要：作为目前制备多晶硅的主流工艺——改良西门子法，其工业生产技术很成熟，但是高能耗和高生产成本依然是阻碍该过程的主要原因。冶金法具有生产效率高，成本低的优点，这个方法可用来提纯冶金级硅，以制备太阳能级多晶硅。文章介绍了冶金法制备太阳能级多晶硅的主要工艺，结果表明：冶金级硅的各种提纯过程中，没有任何一个能单独制备低价太阳能级硅，但是可以通过把这些过程按照最优化的组合结合在一起，可以实

2、现生产低价太阳能级硅。关键词：冶金法；太阳能级多晶硅；定向凝固；湿法精炼中图分类号：TG11文献标识码：A文章编号：1003—5540(2014)02—0052—04随着全球范围内传统能源的枯竭以及石油价格要杂质的最大允许浓度(MPCs)是杂质浓度的一个的不断攀升，太阳能作为环境友好能源受到全世界函数，如图1所示。的广泛关注。尤其是如何生产高效率、低费用的太1O一10—10—310—210一10010102103阳能电池成为科学家的研究重点。多晶硅是作为光[][至]匝10、一、P伏转换器最好的材料之一，95％的太阳能电池都是08以硅作为基材¨

3、。在未来50多年的时间内，还不可能有其它材料能替代硅材料而成为电子和光伏产业薹o-s·eAI的主要材料。其主要生产方法有西门子法、冶金v二法、硅烷法、锌还原法、高纯二氧化硅的碳热还原法10110121013101410151016101710181O102o等J，其中西门子法是目前国际主流厂商生产多晶杂质浓度／cm一。硅的主要工艺J。但是西门子法的高能耗和高成本图1通过太阳能电池效率确定在P—Si中杂质阻碍其发展，用该方法制备太阳能级的多晶硅并不含量的限制是最合理的，尤其是在欧美国家对我国进行太阳能1一半导体级硅；2一太阳能级硅；3一冶金级硅

4、级多晶硅反倾销的条件下J。西门子法的目标是制备电子级的多晶硅，而冶金法制备多晶硅可以利用由图1可以确定高纯硅的杂质含量是否满足太低成本制备太阳能级多晶硅，因此冶金法制备多晶阳能电池的要求。因此，很多研究者认为MPCs与偏硅应该引起重视。析系数和杂质在固体硅中的溶解度有关。为了评估固相提纯的效率，把杂质的偏析系数与它们在硅中1冶金法制备多晶硅工艺的最大允许浓度联系起来，如图2所示。冶金法具有生产效率高，成本低的优点，这个方由图2可看出，所有研究的杂质可以分为两组，法可用来提纯冶金级硅。限制太阳能级硅的主要杂第一组是大多数金属杂质，它们具有非常小

5、的偏析质和半导体级硅一样，只是可以介绍的杂质含量高，系数，即MPCs小，为了有效地去除这些杂质，通常用通过对太阳能电池转化效率的研究，太阳能级硅主硅结晶等方法。第二组杂质(B，P，c，Cu，A1和Ni)具有非常大的偏析系数，这些杂质可以通过气体和作者简介：姚金江(1983一)，男，工程师，主要从事冶金工艺研究和技液体萃取的方法从熔融的硅中除去。术管理工作。第2期姚金江：冶金法制备太阳能级多晶硅532冶金法制备太阳能级多晶硅步骤2．1湿法精炼在提纯冶金级硅时，通过酸洗进行湿法精炼通常是作为第一步的基本步骤，这个过程具有成本低和设备简单的优点。由

6、于多晶硅中的大部分杂质，尤其是金属，在硅中的偏析系数低并且固溶度低，因此这些杂质在晶界处富集。因此，冶金级硅在精炼时，要粉碎到20～40txm或者更小。为了优化这个过程，很多酸(HCI，HF，HSO和—7—6—5—4—3—2一IIogk王水)按照不同的顺序和在不同的条件下(温度，浓图2在(1)P—Si，(2)n—Si中杂质的最大允许度，时间)进行试验。总体来说，酸处理能减少金浓度和偏析系数比较属杂质的含量在一个数量级以上，有时候两个数量表1比较了冶金级硅和太阳能级硅中主要杂质级或更多，Fe、Al和ca比Mg、Ti、Zr、Ni容易除去，但的含量

7、，结果发现提纯后的不同纯度的冶金级硅中是这个过程不能有效地除去B、P、C和Cu。因此，需B和P的含量基本一致。众所周知，无论应用什么要用火法冶金过程(气相和萃取)除去硅内部的方法，B和P的都很难从硅中除去。因此，为了通过杂质。凝聚相提纯获得太阳能级硅，原料用B、P含量低的2．2气体萃取冶金级硅进行提纯是可以实现的。因此，应用冶金在提纯冶金级硅的过程中，气体萃取是最重要法制取高纯硅必须选用B、P含量低原材料，这就降的火法精炼过程。应用最广泛的步骤是活性气体通低了冶金法制备多晶硅的原料的选择性。过熔融硅并且使熔体表面暴露给气体，活性气体通对于冶金

8、法制备多晶硅工艺，在除杂的过程中常要用惰性气体进行稀释，活性气体与溶解在熔体具有相当大的选择性，按照一定的顺序组合这些方中的杂质进行反应生成挥发性化合物，这些挥发性