本發(fā)明涉及高純度硅制造技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種硅的提純方法及提純包。

背景技術(shù)：

光伏行業(yè)作為新能源產(chǎn)業(yè)，越來(lái)越得到國(guó)際社會(huì)的重視，各國(guó)對(duì)光伏發(fā)展出了很多的優(yōu)惠政策和扶持政策。2015年我國(guó)新增光伏發(fā)電裝機(jī)約15 GW，同比增長(zhǎng)逾40%，全國(guó)光伏發(fā)電累計(jì)裝機(jī)量達(dá)到約43 GW，超越德國(guó)成為全球光伏累計(jì)裝機(jī)量最大的國(guó)家。根據(jù)國(guó)家能源局提供的規(guī)模發(fā)展指標(biāo)，到2020年底，我國(guó)太陽(yáng)能發(fā)電裝機(jī)容量有望達(dá)到1.6億千瓦，年發(fā)電量達(dá)到1700億千瓦時(shí)。其中，光伏發(fā)電總裝機(jī)容量達(dá)到1.5億千瓦，太陽(yáng)能熱發(fā)電總裝機(jī)容量達(dá)到1000萬(wàn)千瓦。根據(jù)規(guī)劃，到2020年底，光伏發(fā)電裝機(jī)規(guī)模在電力結(jié)構(gòu)中比重占有7%，新增電力結(jié)構(gòu)中比重占15%左右，在全國(guó)總發(fā)電量結(jié)構(gòu)中占2.5%到3%。

在光伏產(chǎn)業(yè)中，需要應(yīng)用高純度硅，但現(xiàn)在主流硅提純化學(xué)工藝，由于工藝流程不合理，導(dǎo)致制硅法含酸、堿、氯硅烷、等離子、電子束等，具有較大安全生產(chǎn)隱患，且生產(chǎn)過(guò)程中具有粉塵、噪音、振動(dòng)、大宗工業(yè)垃圾以及有毒有害氣體排放，對(duì)環(huán)境造成污染。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種工藝過(guò)程科學(xué)合理的硅的提純方法。

本發(fā)明的目的通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)具體實(shí)現(xiàn)：

一種硅的提純方法，包括以下步驟：

步驟一，將固態(tài)硅加熱熔化，熔化溫度為1550-1800℃；

步驟二：將步驟一熔化后的液態(tài)硅放置在提純包內(nèi)，在氬氣環(huán)境下加熱提純包至1450-1700℃后，再將提純包逐漸降溫至1450℃，使液態(tài)硅由下至上凝固提純。

進(jìn)一步地，步驟一中，將固態(tài)硅放置在中頻爐或電泳爐內(nèi)加熱熔化。

進(jìn)一步地，在進(jìn)行步驟二之前，對(duì)提純包在氬氣正壓環(huán)境下進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度400-1200℃。

進(jìn)一步地，在步驟二中，將液態(tài)硅放置在提純包后，對(duì)提純包進(jìn)行持續(xù)的抽真空處理，在真空度達(dá)到10-100Pa時(shí)充入氬氣，氬氣流量5-50l/min，壓力為0.3-0.5MPa。

進(jìn)一步地，在步驟二中，通過(guò)加熱器對(duì)提純包加熱，加熱器溫度在1450-1700℃，在提純包的底部及四周，設(shè)置有水冷系統(tǒng)，對(duì)提純包進(jìn)行降溫。

進(jìn)一步地，在步驟二中，在將提純包降溫過(guò)程中，水冷系統(tǒng)的誰(shuí)呀范圍為0.2-0.6MPa，水流量為15-75m³/h。

本發(fā)明還公開(kāi)了一種用于以上任意一項(xiàng)的硅的提純方法的提純包，包括包體與包蓋，所述包體為上端開(kāi)口的箱式結(jié)構(gòu)，在所述包體上設(shè)置有包蓋，在所述包體下部設(shè)置有水冷底盤(pán)，在所述包體外壁四周設(shè)置有水冷管道，在所述包蓋上設(shè)置有加熱器、氬氣管與抽真空管。

進(jìn)一步地，在所述包體由多層耐高溫保溫材料制成，內(nèi)部的底面與內(nèi)壁均為石墨板。

進(jìn)一步地，所述加熱器設(shè)置在所述包蓋下方，通過(guò)石墨電極通電加熱或者硅鉬棒加熱。

進(jìn)一步地，在所述包蓋上方，也設(shè)置有水冷管道。

本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明所公開(kāi)的一種硅的提純方法，具有環(huán)保、節(jié)能和低成本等特點(diǎn)，通過(guò)進(jìn)一步提純可達(dá)到電子級(jí)單晶硅需要的拉晶料純度，與現(xiàn)在主流化學(xué)工藝相比，本發(fā)明所公開(kāi)的硅的提純方法提純硅工藝簡(jiǎn)單，成本低，不含酸、堿、氯硅烷、等離子、電子束等化學(xué)和高成本工藝環(huán)節(jié)，全流程貫穿著“安全、環(huán)保、高質(zhì)、節(jié)能”的理念，工藝簡(jiǎn)潔、無(wú)安全生產(chǎn)隱患，且生產(chǎn)過(guò)程中無(wú)粉塵、噪音、振動(dòng)、大宗工業(yè)垃圾以及有毒有害氣體排放。

與其配套的提純包，與傳統(tǒng)設(shè)備提純鑄錠爐相比較，制作成本降低了30倍；目前鑄錠爐每爐中試產(chǎn)出最大在1200 Kg左右，本發(fā)明的提純包每包提純硅最大可達(dá)3000Kg以上，實(shí)現(xiàn)了鑄錠爐提純無(wú)法實(shí)現(xiàn)的產(chǎn)量，降低了其單位質(zhì)量成本；本發(fā)明技術(shù)方案充分利用其液態(tài)硅自身潛能熱進(jìn)行定向凝固，頂部加熱器只是對(duì)頂部保證不先凝固，用電量大大減少，是傳統(tǒng)設(shè)備的五分之一，實(shí)現(xiàn)了環(huán)保提純硅工藝，提純硅工藝簡(jiǎn)單，成本低；與西門(mén)子方法相比較，整個(gè)提純過(guò)程無(wú)酸堿反應(yīng)，環(huán)保。設(shè)備制造成本低。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明所公開(kāi)的硅的提純包結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明所公開(kāi)的硅的提純包包體水冷系統(tǒng)示意圖；

圖3為本發(fā)明所公開(kāi)的硅的提純包包蓋水冷系統(tǒng)示意圖；

圖4為本發(fā)明所公開(kāi)的硅的提純包包體底部水箱示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明具體實(shí)施方式進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

如圖1所示，本發(fā)明公開(kāi)了一種硅的提純包，包括包體100與包蓋200，所述包體100為上端開(kāi)口的箱式結(jié)構(gòu)，其底面為多層結(jié)構(gòu)，最底層為石英砂、剛玉沙或者硅顆粒等耐高溫保溫材料105，其一作用支持硅液重量，其二作用防止底部的四周熱量散失過(guò)快；在耐高溫保溫材料105中部位置，還設(shè)置有石墨塊102，在其上一層再鋪設(shè)石英砂或剛玉砂等保溫層103，其一作用支持硅液重量，其二作用防止底部熱量散失過(guò)快。包體100的側(cè)壁也設(shè)置有多層耐高溫保溫結(jié)構(gòu)，包括設(shè)置在最外層與最內(nèi)層的碳?xì)?、石墨氈或者高溫棉等第一保溫?06，為四周保溫，降低四周熱量損失，向內(nèi)一層設(shè)置有石英砂、剛玉砂、剛玉空心球等構(gòu)成的第二保溫層109，為四周起到保溫作用；同時(shí)，在包體壁上，還間隔的橫向設(shè)置有耐高溫剛玉磚、石英塊或者莫來(lái)石磚等固定層110，起到保溫和固定其它保溫材料的作用。

在包體100外側(cè)設(shè)置有鐵板107，將上述的底面與側(cè)壁進(jìn)行包覆，同時(shí)，提純包100的坩堝101采用石墨板組成，石墨坩堝101內(nèi)表面做氮化硅涂層，防止石墨對(duì)其污染。

在包體100的底部，設(shè)置有水冷底盤(pán)104，為使底部起到很好的首先凝固作用，控制水冷底盤(pán)104的水流量很快帶走底部中心的熱量，降低溫度以來(lái)得到凝固速度。水冷底盤(pán)結(jié)構(gòu)如圖4所示，由冷水通道隔板113、水冷底盤(pán)底板和提純包底板等組成了冷水通道，水從水冷底盤(pán)中部進(jìn)水口114進(jìn)入，由兩邊排除，如箭頭表示水的流向，保證水冷底盤(pán)中心溫度最低，底中部的液態(tài)硅最先凝固。

在所述包體100上設(shè)置有包蓋200，提純包包蓋200由冷卻水管道204、石墨電極202、氬氣管201、熱電偶209、耐高溫保溫材料205、石墨板206和加熱器207等組成。水冷管道204主要用來(lái)冷卻提純包包蓋200，防止熱量過(guò)大而造成變形，如圖3所示，水流向也是從中部進(jìn)入，有四周流出，起到最佳冷卻效果；電極202由高純石墨制作而成，主要用于給石墨加熱器208進(jìn)行供直流電源，石墨電極202經(jīng)銅排和電纜與電源柜相連接，電壓輸入0～100 V DC可調(diào)，輸出功率 0～120 KW，通過(guò)熱電偶209檢測(cè)到的溫度控制功率，輸出最大電流2000A。石墨電極202與包蓋200之間有絕緣套203隔離，防止包蓋200因電極觸，絕緣套203為剛玉絕緣套。電石墨加熱器208電阻為0.2～0.6Ω，主要給予硅液頂部提供熱量，產(chǎn)生溫度在1450~1700℃范圍內(nèi)，保證硅液表面最后凝固。氬氣管道201為石墨管、碳化硅管或者剛玉管等，通過(guò)氬氣管道201將高純氬氣吹到液態(tài)硅表面。保護(hù)液態(tài)硅和石墨件防止氧化，同時(shí)和真空泵配合，帶走相關(guān)易揮發(fā)性物質(zhì)。熱電偶傳感器209為鎢錸熱電偶或者鉑銠熱電偶，通過(guò)傳感器檢測(cè)到加熱器溫度，與提純溫度工藝曲線相比較，控制石墨加熱器輸出功率，使加熱器溫度按照提純溫度工藝曲線執(zhí)行，產(chǎn)生相應(yīng)的溫度保證液態(tài)硅能夠順利從下向上的定向凝固。石墨板206起到固定耐高溫保溫材料205作用，與保溫材料205配合其封閉作用，減少熱量損失。石墨板207主要用來(lái)反射加熱器熱量到硅液表面，最大化利用加熱器熱量到液態(tài)硅表面。

真空泵管道210用于抽取真空，同時(shí)和氬氣充入、抽出平衡，帶走易揮發(fā)雜質(zhì)，防止抽取真空使發(fā)生漏氣現(xiàn)象，包蓋200和包體100之間使用了密封圈111。

本發(fā)明公開(kāi)了一種硅的提純方法，包括：

步驟一，將固態(tài)硅加熱熔化，熔化溫度為1550-1800℃；

步驟二：將步驟一熔化后的液態(tài)硅放置在提純包內(nèi)，在氬氣環(huán)境下加熱提純包至1450~1700℃后，再將提純包逐漸降溫至1450℃，使液態(tài)硅由下至上凝固提純。

具體的，在步驟一中，經(jīng)中頻爐、電泳爐或者其它爐加熱熔化固態(tài)硅，加熱熔化過(guò)程中可在空氣、真空或者惰性氣體環(huán)境下進(jìn)行，熔化溫度控制在1550~1800℃。爐內(nèi)坩堝采用高熔點(diǎn)的剛玉坩堝或者石墨坩堝。

在步驟二中，對(duì)提純包進(jìn)行預(yù)熱，在氬氣環(huán)境保護(hù)下，始終使提純包內(nèi)處于氬氣正壓狀態(tài)，防止在預(yù)熱過(guò)程中石墨件或碳?xì)值缺谎趸A(yù)熱溫度為400~1200℃。固態(tài)硅在中頻爐等設(shè)備完全熔化后，液態(tài)硅溫度控制在1600℃以上，從爐內(nèi)坩堝中直接倒入轉(zhuǎn)移到提純包內(nèi)。

熔化液態(tài)硅轉(zhuǎn)移到提純包100后，立即蓋上包蓋200，防止液態(tài)硅熱量損失過(guò)大，電極202接上電源進(jìn)行加熱提純工藝。為防止液態(tài)硅、石墨保溫材料、石墨加熱器208及其石墨板207高溫下氧化，先對(duì)轉(zhuǎn)入液態(tài)硅的提純包進(jìn)行抽取真空，液態(tài)硅、石墨件和石墨材料與空氣隔離，真空度達(dá)到10~100 Pa時(shí)充入氬氣惰性氣體，在整個(gè)硅提純過(guò)程需要?dú)鍤鈿夥毡Ｗo(hù)。氬氣純度為>99.99(4N)，在液態(tài)硅中吹入的氬氣流量5~50 l/min，壓力為0.3~0.5 MPa，提純氣氛為氬氣環(huán)境下，提純包內(nèi)的壓力保持在60~100KPa，真空泵邊抽真空，氬氣管道201邊充氬氣，使硅表面易揮發(fā)物質(zhì)被帶走頂部加熱器為硅鉬棒加熱器和石墨加熱器，控制溫度在1450~1700℃范圍內(nèi)，保證液態(tài)硅表面是液態(tài)狀況。

提純工藝過(guò)程中，控制頂部加熱器208的溫度，從1700℃逐步降溫，最終溫度降到1450℃。逐步增加提純包四周和底部冷卻水壓力和流量，水壓范圍為0.2~0.6 MPa，水流量范圍15~75 m³/h，最終使液態(tài)硅從底部逐步向上定向凝固。由于定向凝固原因，雜質(zhì)元素在硅中分凝系數(shù)K<1，雜質(zhì)將排在頂部最后凝固成固態(tài)，若分凝系數(shù)K>1，雜質(zhì)將被排除到硅錠的底部和硅一起先凝，去除頂部和底部及其和坩堝接觸的四周邊皮，將得到高純度硅。純度為99.9%~99.99%（3~4N）的硅經(jīng)提純包提純工藝后將得到高純度硅為99.99%~99.99999%（4~7N），去除雜質(zhì)效果明顯，每次提純硅的重量為500~3000 Kg。

最后應(yīng)說(shuō)明的是：以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，盡管參照前述實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，其依然可以對(duì)前述各實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對(duì)其中部分技術(shù)特征進(jìn)行等同替換。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。