[发明专利]一种由硅矿石制备高纯硅的装置及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种高纯硅的制备方法，尤其是涉及一种由硅矿石制备高纯硅的装置及其制备方法。

背景技术

由于能源危机和传统石化能源对环境的污染，为实现可持续发展，世界各国都出台了相应的政策来发展新能源，调整能源消费结构。而太阳能是取之不尽用之不竭的清洁能源，并因其分布广泛、清洁无污染等优点将成为21世纪解决能源问题和环境问题的重要手段。

太阳能电池包括晶体硅电池、薄膜电池、有机太阳能电池、量子点阵太阳能电池等，其中，采用晶体硅所制备的太阳能电池因其性能稳定、寿命长等优点，是目前光伏产业的主流产品。对于太阳能级多晶硅而言，目前，应用最广泛的生产工艺是改良西门子法，这类工艺首先是将硅矿石通过碳还原得到纯度至少为2N的工业硅，然后再将工业硅在1400℃左右的高温下与氯化氢气体反应生成SiHCl₃(或者SiCl₄),再经过蒸馏提纯，在西门子反应器中用高纯的H₂还原得到纯度最高可达到12N的高纯多晶硅。至今全世界80%以上的多晶硅都是通过此工艺生产的。这类方法有诸多的不足和缺点，比如初期投资大、能耗大、成本高、建设周期长，且中间产物有毒，大量使用液氯和氢气等危险气体，存在环境和安全隐患。因此，寻找新型的低成本太阳能级多晶硅生产技术成为了产业界和学术界关注的焦点问题。

近年来，国内外许多研究人员致力于用物理冶金法生产太阳能级多晶硅的研究，如日本新日铁公司的Hiroyuki Baba等人介绍该公司制备太阳能级多晶硅的方法：以99.5%的金属硅（MG-Si）为原料，用氩气等离子体氧化除硼，真空电子束除磷，获得电阻率为1.0Ω/cm的P型多晶硅，再经过定向凝固的方法去除金属杂质，获得6N的太阳能级多晶硅。挪威Elkem公司通过造渣酸洗方法提纯多晶硅，在熔融的硅液中加入液态的氧化物去除B、P等杂质，凝固后粉碎成颗粒，然后用酸洗法去除颗粒表面的金属杂质，再在特别设计的定向凝固设备中经定向凝固等工序制得硅锭。

然而，目前冶金法的主要工艺都存在一定的局限性，如中国专利CN101585536是采用工业硅粉经超声和气体搅拌酸洗处理，去除表面暴露的工业硅中的主要杂质，然后经由真空感应熔炼、三区控温半连续单向凝固、高真空电子束熔炼和二次三区控温半连续单向凝固进一步提纯，最后获得多晶硅锭。此专利从真空熔炼开始到后续的工序虽然是在一个真空炉中进行，但是放入炉中的硅料是硅矿石经碳还原后得到的工业硅，在还原的过程中还有大量的余热没有直接得到应用，后期还要将工业硅粉碎并酸洗，该工序工作条件差，能耗大。中国专利CN101759187提出了一种由反应器和捕捉器两部分组成的装置。其中，反应器由还原剂储备室和反应室两部分组成。捕捉器由一级捕捉器和二级捕捉器组成，控制液态锌和7N级四氯化硅气体在650～900℃反应，产物被带入捕捉器，将收集得到的多晶硅真空蒸馏、定向凝固得到太阳能级多晶硅。此方法虽然是利用了西门子法四氯化硅气体冶金级四氯化硅气体经过蒸馏提纯得到的7N级的四氯化硅，但是此方法的设备要求苛刻，不利于成本的降低和多晶硅的大规模生产。

另外，冶炼方法还有熔盐电解法。该方法以工业硅为原料，加入卤化物熔盐，加热电解，在阴极上形成高纯的硅沉积。此方法在除B和除P方面有一定优势，在深度去除微量金属元素有一定难度，生成的硅需经精炼后才能达到太阳能级多晶硅的质量要求，提纯到5N以上十分困难。熔盐电解实验室取得一定成功，但要大规模工业化存在装备及工艺上的困难。

综上，目前的工艺方法都存在不足，没有利用好还原冶炼过程中的余热或者从工业硅提纯到太阳能级多晶硅的工艺中的某些工序是出现在不同的工位中进行，散失了大量的热量，增大了能耗，从而增加了成本。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的高能耗、低效率等不足，提供低成本和高效率的一种由硅矿石制备高纯硅的装置及其制备方法。

本发明所述由硅矿石制备高纯硅的装置设有矿热炉、辅助电极系统和定向凝固炉；

所述矿热炉底部铺设有保温砖，矿热炉侧边开有硅液出口，矿热炉壁的顶部设有均匀分布的3根空心主电极，3根空心主电极穿过矿热炉壁的顶部，3根空心主电极与矿热炉壁的顶部之间设有电极夹持装置，电极夹持装置上方设有可升降的进料系统；

所述辅助电极系统设有辅助电极、绝缘板和带夹持器的手推车，辅助电极设于带夹持器的手推车上，绝缘板设于辅助电极与带夹持器的手推车之间，辅助电极能自由移动，用于矿热炉中熔区硅液出炉和流出硅液的精炼；