专利名称：以高纯石英砂为原料生产太阳能级多晶硅的方法
技术领域：
本发明涉及一种太阳能级多晶硅的生产方法，特别涉及 以高纯石英砂为原料生产太阳能级多晶硅的方法。
技术背景随着能源危机的到来，绿色能源、光伏产业迅猛发展， 太阳能电池用多晶硅材料已成为新能源产业的基石。我国多晶硅的自主供货存在严重缺口， 95%以上依赖进口，近年多 晶硅市场售价的暴涨已经危及到我国多晶硅下游产业的正 常运营，并成为制约我国光伏产业发展的瓶颈。因此，研究 开发低成本太阳能级多晶硅的工艺技术，具有非常重要的意 义。世界先进的多晶硅生产技术过去一直由美、日、德三国 垄断，其生产线工艺技术的产品质量定位几乎均为电子级多晶硅，其生产方法可分为三类1. 以氯气、氢气冶金级工业硅为原料制取三氯氢硅， 再将三氯氢硅氢还原生产多晶硅。2. 以四氯化硅、冶金级硅、氢气为原料制取高纯硅烷，而后硅烷热分解生成多晶硅的工艺技术。3.以氟硅酸、钠、铝、氢为原料制取高纯硅垸，然后 分解的生产技术。这些方法普遍存在生长速率低、 一次转换效率低、产量 低、还原温度高、耗能高， 一次性投资大、建设周期长、投 入产出率低、生产成本高等的问题。并且副产品不能形成产 业链，造成严重的环境危机。 发明内容本发明的目的是要解决现有技术存在的上述问题，提供 一种以高纯石英砂为原料生产太阳能级多晶硅的方法，该方 法利用高纯石墨还原高纯石英砂，再经过等离子提纯、定向 凝固，可得6N级的太阳能级多晶硅，具有投资少，建设周 期短、生产成本低、工艺简单、无污染、适合产业化的特点。本发明的技术解决方案是(1) 、选择Si02的含量在99。/o以上的硅石料，进行水淬、粉碎、筛分、酸洗、磁选< 高压电离，筛分时保证粉碎的颗 粒度大小为50 120目，筛分掉不符合要求的硅石颗粒； 酸洗时间为48 60小时；高压电离的电压为1 2万伏，使 硅石颗粒纯度达到99. 99%以上，得到高纯石英砂；(2) 、把碳质还原剂和矿热炉中的石墨电极在氯化炉中 高温氯化，氯化温度为1200 1800度，氯化时间20 40小 时，使碳质还原剂的纯度达到99, 9999%以上(3) 、在矿热炉中用碳质还原剂还原高纯石英砂生产硅， 还原前把硅石颗粒烧结成4 10mm大小的颗粒，从矿热炉中 定期放出熔硅；(4) 、把得到的硅液注入到保温炉中，在非氧化气氛下 对产品直接进行高频等离子吹炼除杂，得到粗产品，高频磁 场的电压为8000 12000万伏，频率为1 3. 5兆，同时向熔 硅中添加氧化性气体，以除去硼及镁、铝、钙等金属杂质；(5)、得到的粗产品注入定向凝固炉中进行定向凝固，通 过控制结晶速度和结晶方向，进一步提纯硅，可得到6N级 的多晶硅。上述以高纯石英砂为原料生产太阳能级多晶硅的方法， 酸洗时按照重量比采用由10 20%氢氟酸，10 25%浓盐酸、 0 10%浓硝酸和余量水组成的混合酸。.上述以高纯石英砂为原料生产太阳能级多晶硅的方法， 所述的碳质还原剂采用石油焦、炭黑、木炭中任意一种或任 意组合。上述以高纯石英砂为原料生产太阳能级多晶硅的方法， 还原时从矿热炉中每隔4 10小时放出熔硅。上述以高纯石英砂为原料生产太阳能级多晶硅的方法， 所述的氧化性气体是指氧气、水汽、氯气、四氯化硅中的一 种或任意组合。上述以高纯石英砂为原料生产太阳能级多晶硅的方 法，所述的非氧化气氛是指氢气和氩气的混合气体或氮气，混合气体中按照体积比H2 20 30%、 Ar 80 70%。 本发明的优点(1) 投资少、建设周期短、生产成本低。 设备制造容易，物料循环简单，耗电量低，每公斤约耗电180千瓦时，所以成本低。(2) 工艺简单、适合产业化生产流程短，反应设备为分体结构，易于控制，便于推广。(3) 低排放，无污染。酸洗的废液，通过中和处理达到排放标准在排放。其他 的生产过程没有污染物排放。
具体实施方式
实施例1:(1)、选择Si02的含量在99y。以上的硅石料，进行水淬、 粉碎、筛分、酸洗、磁选、高压电离，筛分时保证粉碎的颗 粒度大小为50 120目，筛分掉不符合要求的硅石颗粒； 酸洗时可采用按照重量比由10 20%氢氟酸，10 25%浓盐 酸、0 10%浓硝酸和余量水组成的混合酸，酸洗时间为48 60小时；高压电离的电压为1 2万伏，使硅石颗粒纯度达 到99.99%以上，得到高纯石英砂。(2) 、把碳质还原剂和矿热炉中的石墨电极在氯化炉中 高温氯化，所述的碳质还原剂可采用石油焦、炭黑、木炭中 任意一种或任意组合，组合时各组份配比不限。氯化温度为 1200 1800度，氯化时间20 40小时，使碳质还原剂的纯 度达到99. 9999%以上。(3) 、在矿热炉中用碳质还原剂还原高纯石英砂生产硅， 还原前把硅石颗粒烧结成4 10mm大小的颗粒，从矿热炉中 定期放出熔硅，定期是指每隔4 10小时。(4) 、把得到的硅液注入到保温炉中，在非氧化气氛下 对产品直接进行高频等离子吹炼除杂，得到粗产品，所述的 非氧化气氛是指氢气和氩气的混合气体或氮气，混合气体中 按照体积比H2 20 30%、 Ar 80 70%;高频磁场的电压为 8000 12000万伏，频率为1 3. 5兆，同时向熔硅中添加氧化 性气体，所述的氧化性气体是指氧气、水汽、氯气、四氯化 硅中的一种或任意组合，组合时各组份配比不限，以除去硼 及镁、铝、钙等金属杂质。(5 )、得到的粗产品注入定向凝固炉中进行定向凝固， 通过控制结晶速度和结晶方向，进一步提纯硅，可得到6N 级的多晶硅。 实施例2:(1)、选择Si02的含量在99。/。以上的硅石料，进行水淬、 粉碎、筛分、酸洗、磁选、高压电离，筛分时保证粉碎的颗粒度大小为50 120目，筛分掉不符合要求的硅石颗粒； 酸洗时可釆用按照重量比由10 20%氢氟酸(浓度40%)， 10 25%浓盐酸(浓度36-37%)、 0 10%浓硝酸(浓度60%以上) 和余量水组成的混合酸，酸洗时间为48 60小时；高压电 离的电压为1. 2 1. 8万伏，使硅石颗粒纯度达到99. 99%以 上，得到高纯石英砂。(2)、把碳质还原剂和矿热炉中的石墨电极在氯化炉中 高温氯化，所述的碳质还原剂可采用石油焦、炭黑、木炭中 任意一种或任意组合，组合时各组份配比不限。氯化温度为 1400 1600度，氯化时间28 32小时，使碳质还原剂的纯 度达到99. 9999%以上。(3) 、在矿热炉中用碳质还原剂还原高纯石英砂生产硅， 还原前把硅石颗粒烧结成4 10mm大小的颗粒，从矿热炉中 定期(每隔7 9小时)放出熔硅。(4) 、把得到的硅液注入到保温炉中，在非氧化气氛下 对产品直接进行高频等离子吹炼除杂，得到粗产品，所述的 非氧化气氛是指氢气和氩气的混合气体或氮气，混合气体中 按照体积比H2 20 30%、 Ar 80 70%;高频磁场的电压为 9000 11000万伏，频率为2. 2 2. 5兆，同时向熔硅中添加氧 化性气体，所述的氧化性气体是指氧气、水汽、氯气、四氯 化硅中的一种或任意组合，组合时各组份配比不限，以除去 硼及镁、铝、钙等金属杂质。(5)、得到的粗产品注入定向凝固炉中进行定向凝固，通 过控制结晶速度和结晶方向，进一步提纯硅，可得到6N级 的多晶硅。
权利要求
1. 一种以高纯石英砂为原料生产太阳能级多晶硅的方法，其特征是1.1、选择SiO2的含量在99％以上的硅石料，进行水淬、粉碎、筛分、酸洗、磁选、高压电离，筛分时保证粉碎的颗粒度大小为50～120目，筛分掉不符合要求的硅石颗粒；酸洗时间为48～60小时；高压电离的电压为1～2万伏，使硅石颗粒纯度达到99.99％以上，得到高纯石英砂；1.2、把碳质还原剂和矿热炉中的石墨电极在氯化炉中高温氯化，氯化温度为1200～1800度，氯化时间20～40小时，使碳质还原剂的纯度达到99.9999％以上；1.3、在矿热炉中用碳质还原剂还原高纯石英砂生产硅，还原前把硅石颗粒烧结成4～10mm大小的颗粒，从矿热炉中定期放出硅液；1.4、把得到的硅液注入到保温炉中，在非氧化气氛下对产品直接进行高频等离子吹炼除杂，得到粗产品，高频磁场的电压为8000～12000万伏，频率为1～3.5兆，同时向熔硅中添加氧化性气体，以除去硼及镁、铝、钙等金属杂质；1.5、得到的粗产品注入定向凝固炉中进行定向凝固，通过控制结晶速度和结晶方向，进一步提纯硅，去除两头杂质高的部分，可得到太阳能级多晶硅。
2.根据权利要求1所述以高纯石英砂为原料生产太阳能级多晶硅的方法，其特征是酸洗时按照重量比采用由10 20%氢氟酸，10 25%浓盐酸、0 10%浓硝酸和余量水组成 的混合酸。
3、 根据权利要求1所述以高纯石英砂为原料生产太阳 能级多晶硅的方法，其特征是所述的碳质还原剂采用石油 焦、炭黑、木炭中任意一种或任意组合。
4、 根据权利要求1所述以高纯石英砂为原料生产太阳 能级多晶硅的方法，其特征是还原时从矿热炉中每隔4 IO小时放出硅液。
5、 根据权利要求l所述以高纯石英砂为原料生产太阳能级多晶硅的方法，其特征是所述的氧化性气体是指氧气、水汽、氯气、四氯化硅中的一种或任意组合。
6、根据权利要求l所述以高纯石英砂为原料生产太阳能级多晶硅的方法，其特征是:所述的非氧化气氛是指氢气和氩气的混合气体承氮气，混合气体中按照体积比H2 20 30%、 Ar 80 70%。
全文摘要
一种以高纯石英砂为原料生产太阳能级多晶硅的方法，选择SiO<sub>2</sub>的含量在99％以上的硅石料，进行水淬、粉碎、筛分、酸洗、磁选、高压电离，使硅石颗粒纯度达到99.99％以上，得到高纯石英砂；把碳质还原剂和矿热炉中的石墨电极在氯化炉中高温氯化，使碳质还原剂的纯度达到99.9999％以上；在矿热炉中用碳质还原剂还原高纯石英砂生产硅，生产过程中，从矿热炉中定期放出硅液；把得到的硅液注入到保温炉中，在非氧化气氛下对产品直接进行高频等离子吹炼除杂，同时向熔硅中添加氧化性气体；再把硅液注入到定向凝固炉中进行定向凝固，进一步提纯硅，即可得到太阳能级多晶硅。优点是投资少，建设周期短、生产成本低、工艺简单、无污染、适合产业化。
文档编号C01B33/025GK101259963SQ20081001037
公开日2008年9月10日 申请日期2008年2月5日 优先权日2008年2月5日
发明者张守芬, 张海涛, 张海霞, 贺玉凯 申请人:锦州新世纪石英玻璃有限公司