欧洲冶金法生产太阳能级多晶硅的工艺.pdf

2 0 1 0年 8月 第 3 9卷第 4期 总第 2 2 3期 云南冶金 YUNNAN ME TAL LURGY Au g ． 2 01 0 V o 1． 3 9 N o ． 4 S u m 2 2 3 欧洲 冶金法 生产太 阳能级多 晶硅 的工艺 和晓才，李怀仁 昆明冶金研究院 ，云南昆明6 5 0 0 3 1 摘要 阐述了欧洲各 周冶 金法生产太 阳能多 晶硅的工艺 ，并提出了具体金属 中的除碳工艺。 关键词 太阳能多晶硅 ；碳 ；S i O 中图分类号 T D 3 2 5 文献标识码 A 文章编 号 1 0 0 6 3 3 0 8 2 0 0 9 0 4 加 4 3 _ 0 3 Th e Pr o du c t i o n Pr o c e s s o f S o l a r-Gr a d e Po l y s i l i c o n b y M e t a l l u r g i c a l M e t h o d i n Eu r o p e HE Xi a o-c a i ．L I Hu i r e n K u n mi n g Me t a l l u r g y R e s e a r c h I n s t i t u t e ， K u n mi n g ，Y u n n a n 6 5 0 0 3 1 ，C h i n a AB S TRACTT h e me t a l l u r g y p r o c e s s o f S o G S i i n E u r o p e w a s i n t r o d u c e d ，a n d c a r b o n r e n l o v a l p r o c e s s w a s p u t t o r w a r d t o o KEY W 0RDS S o G Si ；c a r b o n；Si O l 引 言 2 目前太 阳能级多 晶硅 的生产方法及概况 欧洲各 国从 9 0年代初就展开了用冶金法制备 太阳能多晶硅的研究丁作 ，其 中最值得关注的是其 中的一个项 目，在此项 目里 ，提出了用碳直接还原 高纯石英生产太阳能檄多晶硅 的方法 ，此方法所用 的是高纯的原材料。要求原料的纯度高，这样在很 大程度上降低了对净化石英中杂质 的难度 ，并且较 容易地与其它杂质分离。这个项 目里面提出的生产 太阳能极多晶硅 的方法 ，此方法仅适用于原料为高 纯的石英和高纯度碳的生产方法。同时也提 出了南 此 方法 获得 的金 属硅 进行 除碳 的方 法及 效果 ，运 用 此方法除碳 ，金属硅 中的碳含量能从几百个 g ／ g 降到低于 5 g以下。最后 ，通过此项 目的研究 ， 还提出了用冶金法产出的金属硅的定向结晶过程中 所允许 的杂质含量的范围。通过观察研究 ，用此方 法获得 的金属硅在定 向结 晶过程中除杂的效果要 比 此前出版过的资料中提到的方法要好 ，产出的硅中 F e和 rr i 的含量与先前西方大公 司发表的其单 晶硅 产 品 中的 F e 和 r n的含量 相 近 。 每年用于生产太 阳能 电池 的多晶硅的产量在以 几百吨的速度递增。 目前用于 P V方面的两种硅资 源受到了限制 在 电子工业里废弃和浪费的硅每年 大约有3 0 0 0 t 左右。然而我们期望这种状况在几年 后消失。因此，2 0 0 4年左右，必须获得更多的用于 太阳能极多晶硅的资源。可是 ，世界范围内生产太 阳能极多晶硅的工厂并未作出有效的科研生产计划。 目前生产太阳能级多晶硅 的途径 主要有两种 第一种方法是把工业硅烷化再还原成高纯硅 ，并尽 可 能 的降低 成本 。第 二种 方法 是通 过 内在 的低 成本 的冶金过程来生产太阳能级硅 ，比如，用碳直接还 原二 氧化 硅 。 欧洲各 国开展 的太 阳能级多 晶硅的研发项 目 里，我们特别关注用碳直接还原高纯石英产出太阳 能级硅的项 目。此项 目要求原料的纯度高 ，这样大 大降低了纯化原料的要求，从而较易除去硅中的杂 质。在试验实里一些项 目的研发小组开发出了适用 于能获得 的高纯二氧化硅 和高 纯碳 原料 的工艺技 收稿 日期 2 0 1 0 -- 0 2 - 2 0修回 日期 2 0 1 0 - 0 4 4 8 作者简 介和晓才 1 9 7 4 一 ，男，白族 ，云南兰坪人 ，高级T程师 。 4 3 2 0 1 0年 8月 第 3 9卷第 4期 总第 2 2 3期 云南冶金 YUNNAN MET AT LURC Y Au g ． 2 01 0 V o 1 ． 3 9 ．N o ． 4 S u m 2 2 3 术，并开发出多晶硅中除碳 的工艺，能使多晶硅 中 的碳含量从几百个 g ／ g降至 5 g ／ g 。试验研发小 组研对此工艺进行了扩大化试验 ，目标是把每公斤 太阳能级多晶硅的成本价控制在 2 0美元左右。 3 欧洲冶金法太阳能级多晶硅 的生产工艺 之前 ，就有好几个科研小组追踪或探索利用高 纯的原材料 ，以碳直接还原高纯石英来产出太阳能 级多晶硅的方法。这里查阅到了几种不同于先前的 生产太阳能级多晶硅的方法。首先 ，欧洲的太阳能 多晶硅项 目是最先利用 自然界中的高纯石英和高纯 碳产出太阳能级多晶硅的工艺。在先前的世界各国 用冶金法研发太阳能级多晶硅的工作里 ，要么其中 一 种原料的纯度不够 ，要么是使用了成本高昂的纯 化原料的方法 ，如表 1所示。 表 1 欧洲几种不同于先前太阳能级多晶硅生产的方法 T a b ． I T h e s e v e r a l S o G s i p r o d u c t i o n me t h o d s o f d i f f e r e n t f r o m p r e v i o u s o ne s i n Eu r o p e 欧洲太阳能级多晶硅项 目研究探索的结果 ，有 很多值得关注和接受的地方。原料 中的杂质含量与 铸锭后的硅中的杂质含量相符。首先 ，原料相互化 合反应后 ，其所 含的多数杂质低于 1 Ix g ／ g ，其 中 杂质在 1～1 0 I x g ／ g的范围里。 图 1 太 阳能极多晶硅工艺的流程图 F i g ．1 P r o c e s s f l o w di a g r a m o f p r o d uc t i o n So GS i 与先前的其它研究结果相 比，欧洲太阳能多晶 硅项 目的第二个 主要不 同点在于使用 了两段工艺 图 1 。第一段是在等离子转炉中反应生成 S i C的 过程；第二段是在等离熔炼炉中把 S i C还原生成 S i 的过程。用高纯原料成功地进行了如此反应过程的 广范试验。在化学分析的有效精度范围里 ，第一段 工艺并没有使产出的金属硅的杂质含量增加。电炉 以及其内外结构须相当洁净，且可操作 ，这对第二 步工艺的成败起着至关重要的作用 ，否则产出的硅 极 易受 到污染 。 4 金属 S i 中的除杂工艺 在高温 2 0 0 0 ℃下还原出的液态硅仍含 有较高未溶解 的碳 ，通常有几 百 g i g 。实质 上， 这些在硅中的碳必须被除去，以便使液态硅适合于 浇铸工序。在过去，除碳的问题通过不同的手段来 解决 ，但不 同于我们采用的用等离子法处理后进行 的定 向结 晶 的方法 。 图2 a 除碳的工艺过程 Fi g ． 2a F l o w c h a r 【o f c a r b o n a t e t r e a t me n t me t h o d 和晓才 ，等欧洲冶金法生产太 阳能级多晶硅的工 艺 ’ l h 3 h 5 h 1 0 h 图 2 b 除碳结果图 F i g ． 2 b T h e r e s u l t s o f c a r b o n r e mo v a l 5 结语 1 由欧洲太阳能极多晶硅项 目的工艺路线产 出的硅 ，能满足定 向结晶或 C z 成型的要求 熔化 后 ，也可以用来做带状成型 。S i O 与碳 中的杂质 含量总计为 1 ～1 0 g ／ g的水平 。而 S i 晶片中的杂 质要求在 1 g ／ g左右或更低 。所 以，在液态阶段 的定 向结晶的过程 中，杂质的分离是必要的，以便 产出太 阳能极 的硅锭。 2 从其定向结晶除杂的过程的研究 中，除钛 的效果也非常好 ，甚 至 比一些报导 中提到的方法 都好 图 2 a表示 了欧洲太 阳能多晶硅项 目 1中除碳 的工艺线路。首先 ，在控制降温期间 ，超标的碳以 参考文献 S i C的形式沉淀下来 ，从而与硅实现分离 。其结果 『 1 ]I J．J ．G r l i 。 l a r - g r a d i l i o n b y d i t b a s e d 。 。 o u r b 0 t h 一 是，在硅的熔点处碳 含量达 到了饱和值 7 0 g ／ e r m i c r e d u c t i o n o f s i l i c a[ J ] ． E u r o p e c n P V S E C ， 1 9 7 9 ． g 。再者 ，进行氧 化熔化处 理及 固化 结 晶，碳 含 [ 2 ]O -R ⋯e s s ，R J e n s e n ，A A 13 1 s t e i n L v s l a n d P l a s m a R o ta r y 量降低至少于 5 g ／ g的水平。图2 b显示了这个结 F “ [ M ] N 。 g i “ p ， - 果。在最终 的硅 中，7 0 ％的分析结果为 碳的一般 含量为小于或等于 3 g ／ g 。 上接第 1 5页 1 系统安 全 可靠 ，采 用西 门子公 司 P L C F M4 5 8构架 ，双 C P U结 构 ，提 高了纠错能 力，避 免了错误信号产生的误动作 ； 2 结构清晰，系统内部分工明确 ； 3 信号处理及 时，运算 能力大大提高 ，使得 控制更加及时 ； 4 系统扩展性好 ； 5 开 放性强 ，采用 西 门子符 合 国际标 准 的 P R O F I B U S通讯协议 ，便于以外部系统通信 。 缺点 1 系统过于庞大 ，交 一交变频器虽然在结构 上只有一个 中间环节 ，省去了中间直流环节 ，看似 简单 ，但所用的器件数量却很多 ，总体设备庞大； 2 输入功率因数较低 ，谐波 电流含量大 ，频 谱复杂等 ，因此须配置滤波和无功补偿设备 。 9 结语 交 一交变频器 P L CF M4 5 8构架在玉溪大红山 矿业有限公司箕斗井提升机调速上 已成功使用多 年 。P L CF M4 5 8构架的控制 系统有效地发挥了交 一 交变频器的高效率并有效地降低变频 器调节率 ， 减少了交 一交变频的部分不利因素。该控制系统运 行效果 良好 ，能安全 、可靠、稳定 、经济有效地完 成生产要求 ，同时减轻工人劳动强度 ，提高生产管 理水平 。 参考文献 [ 1 ]邓星钟 ，等．机 电传动 控制 [ M] ．武 汉 华中科技大学 出版 社 ，2 0 0 7 ． [ 2 ]廖晓钟．电力 电子技术 与电气传动 [ M] ．北京 北京 理工大 学出版社 ，2 0 0 0 ． [ 3 ]李德华． 交 流 调 速 控 制 系 统 [ M] ．北 京 电 子 工 业 出 版 社 ，2 0 0 3 ． [ 4 ]许 建 国． 电 机 与 拖 动 基 础[ M] ． 北 京 高 等 教 育 出 版 社 ．2 0 0 4 ． [ 5] 孑 L凡 才． 自 动 控 制 系 统[ M] ．北 京 机 械 工 业 出 版 社 ，2 0 0 3 ． [ 6 ]林 瑞 光． 电 机 与 拖 动 基 础[ M] ． 杭 州 浙 江 大 学 出 版 社 ．2 0 0 2 ． 4 5