一种用于太阳能电池的高纯多晶硅提纯装置
技术领域
本实用新型属于半导体材料制备领域，具体涉及一种用于太阳能电池的高纯多晶硅提纯装置。
背景技术
高纯多晶硅是硅产品产业链中的重要中间产品，是制造硅抛光片、太阳能电池的主要原料。对于集成电路行业来说，高纯多晶硅是生产单晶硅的直接原料，是当代人工智能、自动控制、信息处理、光电转换等半导体器件的电子信息基础材料。
虽然我国多晶硅工业起步不晚，但由于生产工艺多采用传统西门子法，生产规模小，技术水平低，工艺陈旧，装备水平差，劳动生产率低，导致产量低，物耗、能耗高，原料的综合利用程度差，产品成本高，质量难以保证，和国际水平相比有较大差距。
目前多晶硅主要采用化学提纯法生产。化学提纯方法主要有西门子法(气相沉淀反应法)、甲硅烷热分解法、流态化床法，其投资资金门槛和技术要求都比较高。在化学提纯法生产多晶硅过程中，会产生大量的氯化物和硅烷，对环境的污染严重，而且能耗也很大，生产成本高。因此，近年来，采用低成本的冶金制备方法从冶金级工业硅直接制备太阳能级高纯多晶硅的方法得到了广泛的研究。
实用新型内容
本实用新型的目的是针对现有的技术存在上述问题，提出了一种熔炼速度快、除杂方便快捷、能够实现连续生产、适用于产业化的从冶金级工业硅直接制备太阳能级高纯多晶硅的提纯装置。
本实用新型的目的可通过下列技术方案来实现：一种用于太阳能电池的高纯多晶硅提纯装置，包括，
熔炼造渣装置，其中部设置有电磁感应加热器，所述电磁感应加热器内部装有熔炼坩埚，所述熔炼坩埚上方设置有硅加料器和造渣剂加料器，所述坩埚底部设置有第一硅液开关，所述第一硅液开关下方的熔炼造渣装置底部设置有第一阀门；
阶梯除磷装置，其设置于熔炼造渣装置下方，所述第一阀门正下方设置有第一贮槽，所述第一贮槽底部设置有第二硅液开关，所述第二硅液开关下方设置有依次斜向下排列的若干个硅液流槽，所述硅液流槽倾斜设置且在每个硅液流出方向一侧分别设置有电子枪，所述阶梯除磷装置下方设置有接收暂存硅液的第二贮槽，所述第二贮槽底部设置有第三硅液开关，所述第三硅液开关下方的阶梯除磷装置底部设置有第二阀门；
分步氧化装置，其设置于阶梯除磷装置下方，所述分布氧化装置内设置有带不同精炼气体的第一区、第二区、第三区和第四区，所述分步氧化装置内设置有若干个用于装载硅液进行氧化氧化坩埚，所述氧化坩埚按顺序经过第一区、第二区和第三区进行氧化，所述第二阀门设置于第一区上方，所述第四区下方的分步氧化装置底部设置有第三阀门；
精炼凝固装置，其设置于分步氧化装置下方，所述精炼凝固装置一侧连通第三阀门，所述第三阀门下方设置有可移动的精炼坩埚且另一侧精炼凝固装置的底部设置有定向凝固底模，所述精炼坩埚底部设置有精炼气体喷嘴，所述精炼坩埚当硅液达到定量后精炼坩埚移入到定向凝固底模上方，所述定向凝固底模下方设置有可带动凝固底模向下移动的拉环系统；
冶金级硅经由造渣除杂、阶梯除磷、分步氧化除杂和脱气精炼、定向凝固，将硅锭的高杂质部分切除得到太阳能级多晶硅。
在上述的一种用于太阳能电池的高纯多晶硅提纯装置中，所述熔炼造渣装置、阶梯除磷装置、分步氧化装置和精炼凝固装置的分别设置连通有真空系统。
在上述的一种用于太阳能电池的高纯多晶硅提纯装置中，所述熔炼坩埚顶部设置有取样器。
在上述的一种用于太阳能电池的高纯多晶硅提纯装置中，所述熔炼坩埚和电磁感应加热器之间设置有耐火材料，所述耐火材料底部设置有可开闭的塞孔，所述塞孔可与第一硅液开关相连通。
在上述的一种用于太阳能电池的高纯多晶硅提纯装置中，所述第一贮槽外侧设置有第一加热保温装置，所述硅液流槽下方设置有第二加热保温装置。
在上述的一种用于太阳能电池的高纯多晶硅提纯装置中，所述硅液流槽设置为向下倾斜10-30°。
在上述的一种用于太阳能电池的高纯多晶硅提纯装置中，所述电子枪的电子束光斑直径大于硅液流直径。
在上述的一种用于太阳能电池的高纯多晶硅提纯装置中，所述第一区上方设置有第一等离子枪，所述第一等离子枪内为氩气和氧气的混合气体，所述第二区上方设置有第二等离子枪，所述第二等离子枪内为氩气和氯气的混合气体，所述第三区上方设置有第三等离子枪，所述第三等离子枪内为氩气和水蒸气的混合气体，所述第四区上方设置有第四等离子枪，所述第四等离子枪内为氩气、水蒸气和氢气的混合气体。
在上述的一种用于太阳能电池的高纯多晶硅提纯装置中，所述第一区、第二区、第三区和第四区呈田字分布，所述分步氧化装置的中心设置有旋转结构，所述旋转结构上设置连接有四个氧化坩埚且每个氧化坩埚可以通过旋转依次经过第一区、第二区、第三区和第四区。
在上述的一种用于太阳能电池的高纯多晶硅提纯装置中，所述第四区在侧面设置有用于将氧化坩埚翻转的机械手。
本实用新型将硅液经造渣除杂后，进入阶梯除磷装置，当硅液从硅液流槽口流出时，用电子枪的高能电子束轰击从槽口流出的硅液，从而快速的除去硅液中的磷杂质。在分步氧化装置内用不同的精练气体分步作用，除去硅液中的杂质硼、碳、金属等杂质，再通过脱气精练、定向凝固后，切除硅锭的高杂质部分，得到高纯度的太阳能级多晶硅产品，实现高纯多晶硅的连续工业化生产。
附图说明
图1是本实用新型的装置结构总图示意图；
图2是本实用新型的熔炼造渣装置结构示意图；
图3是本实用新型的阶梯除磷装置结构示意图；
图4是本实用新型的分步氧化装置结构示意图；
图5是本实用新型的精练凝固装置结构示意图。
如图，熔炼造渣装置100，电磁感应加热器110，熔炼坩埚120，硅加料器130，造渣剂加料器140，取样器150，第一硅液开关160，第一阀门170，耐火材料180，塞孔190，阶梯除磷装置200，第一贮槽210，第二硅液开关211，第一加热保温装置212，硅液流槽220，第二加热保温装置221，电子枪230，第二贮槽240，第三硅液开关241，第二阀门250，分步氧化装置300，第一区310第一等离子枪311，第二区320，第二等离子枪321，第三区330第三等离子枪331，第四区340，第四等离子枪341，氧化坩埚350旋转结构360，机械手370，第三阀门380，精炼凝固装置400，精炼坩埚410，精炼气体喷嘴411，定向凝固底模420，拉环系统421，真空系统500。
具体实施方式
以下是本实用新型的具体实施例并结合附图，对本实用新型的技术方案作进一步的描述，但本实用新型并不限于这些实施例。
如图1-图5所示，一种用于太阳能电池的高纯多晶硅提纯装置，包括：熔炼造渣装置100、阶梯除磷装置200、分步氧化装置300和精炼凝固装置400，四部分结构组成了一套完整的高纯多晶硅提纯系统，能够实现冶金级硅到太阳能级高纯多晶硅的连续工业化生产。
熔炼造渣装置100中部设置有电磁感应加热器110，电磁感应加热器110内部装有熔炼坩埚120，熔炼坩埚120上方设置有硅加料器130和造渣剂加料器140，坩埚底部设置有第一硅液开关160，第一硅液开关160下方的熔炼造渣装置100底部设置有第一阀门170。
将工业级硅块状固体或粉末通过硅加料器130加入到熔炼坩埚120内，通过电磁感应加热器110对硅料进行加热，电磁感应加热器110的频率为500-100000Hz，把硅料熔化成液态硅。将硅液温度逐步升温到1600-2000℃，保温10-120分钟，期间根据取样器150取样分析结果，调节造渣剂的用量和成分，造渣剂通过造渣剂加料器140加入熔融的硅液中。造渣剂的成分为氧化钙、氟化钙、氧化锶和氧化硅，其重量比为2-4：1-2：0-1：2-4，造渣剂的总量为硅液的5-50％。
保持体系的温度为1600-2000℃，调节电磁感应线圈的频率，充分搅动硅液，使硅液中的磷、硼和金属杂质溶解在造渣剂中，反应完成后，打开塞孔190和第一硅液开关160，硅液从熔炼坩埚120流出，转移入阶梯除磷装置200内的第一贮槽210中。
阶梯除磷装置200，其设置于熔炼造渣装置100下方，第一阀门170正下方设置有第一贮槽210，第一贮槽210底部设置有第二硅液开关211，第二硅液开关211下方设置有依次斜向下排列的若干个硅液流槽220，硅液流槽220倾斜设置且在每个硅液流出方向一侧分别设置有电子枪230，阶梯除磷装置200下方设置有接收暂存硅液的第二贮槽240，第二贮槽240底部设置有第三硅液开关241，第三硅液开关241下方的阶梯除磷装置200底部设置有第二阀门250。
第一贮槽210外有第一加热保温装置212，第一加热保温装置212可以是中频或高频感应加热，也可以是电阻加热，使硅液温度保持在1600-2000℃。通过真空系统500获得高真空，保持真空度在10-1到10-5Pa，打开第二硅液开关211，使硅液从第一贮槽210流入硅液流槽220中，硅液流槽220周围有第二加热保温装置221，保持硅液温度在1500-2000℃之间，硅液流槽220保持向下10-30°的倾角，保证硅液能顺畅流过硅液流槽220。调节第二硅液开关211的开合程度，可控制硅液的流量，硅液从上面的硅液流槽220流到下面的硅液流槽220中，最后流入第二贮槽240中。
在两个硅液流槽220之间设有电子枪230。当硅液从硅液流槽220口流出时，开动高能电子枪230，调节电子束光斑直径略大于硅液流直径，高能电子束轰击从槽口流出的硅液，从而快速的除去硅液中的磷杂质，挥发出来的磷杂质气体被真空系统500排出。
为了加强除磷效果，可设置多个硅液流槽220和高能电子枪230，使硅液在以小股束流流动过程中多次被高能电子束轰击而彻底除磷。除磷后的硅液最后流入第二贮槽240中，第二贮槽240所在的炉体空间尽可能小，相对独立，周围设置有加热保温系统，通过真空系统500调节内部的真空度。
传统的冶金法除去硅液中磷杂质的方法是在一坩埚内装有一定数量的硅液，从硅液上方使用高能电子束轰击硅液而除磷，与电子束直接接触除磷后的硅液与坩埚内绝大部分没有除磷的硅液在坩埚内迅速混合，导致整个系统除磷的效果很差，本装置的优点是硅液经过一次或多次高能电子束轰击除磷后，硅液绝对不会与原坩埚中未除磷的硅液混合，因此除磷速度快，效率高，效果好。通过这个工艺可以将工业金属硅中的磷杂质浓度降低到0.02ppm以下。
分步氧化装置300，其设置于阶梯除磷装置200下方，分布氧化装置内设置有带不同精炼气体的第一区310、第二区320、第三区330和第四区340，分步氧化装置300内设置有若干个用于装载硅液进行氧化氧化坩埚350，氧化坩埚350按顺序经过第一区310、第二区320和第三区330进行氧化，第二阀门250设置于第一区310上方，第四区340下方的分步氧化装置300底部设置有第三阀门380。
每个区内都有一个氧化坩埚350，它们可以通过旋转结构360的作用沿顺时针或逆时针方向转动。每个坩埚可装硅液0.5-5公斤，坩埚外有保温材料，通过高温等离子提供热源，也可采用电磁感应加热或电阻加热保温，硅液温度保持在1450-2000度。
从第二贮槽240中转移出的硅液流进第一区310的氧化坩埚350中，当第一区310的小坩埚内的硅液量达到预先要求时，开动旋转结构360，使四个氧化坩埚350作90度旋转，此时第一区310的氧化坩埚350旋转到第二区320，第二区320的氧化坩埚350旋转到第三区330，第三区330的氧化坩埚350旋转到第四区340，依次互换位置，第四区340的硅液转移到精练凝固装置，空的氧化坩埚350进入第一区310，重新接受阶梯除磷装置200转移进来的硅液，如此循环进行操作。
在四个区每个区上方都有一支等离子枪。第一区310上方是第一等离子枪311，第一等离子枪311内的气体为氩气和氧气的混合气体，其中氧气的体积比为0.1-3％，混合气体流量为2-100L/min，气体通过第一离子枪加热并离子化后进入第一区310内的氧化坩埚350，处理硅液，工作时间为1-60min。加入氧气的目的是使硅液中的杂质硼、碳和部分铁、锰、铝、钛等金属杂质氧化成相应的氧化物；在第二区320上方是第二等离子枪321，第二等离子枪321内的气体为氩气和氯气的混合气体，其中氯气的体积比为0.5-10％，混合气体流量为2-100L/min，气体通过第二等离子枪321加热并离子化后进入第二区320内的氧化坩埚350，处理硅液，工作时间为1-60min。加入氯气的目的是除掉硅液中的铝、钙等轻金属杂质；在第三区330上方是第三等离子枪331，第三等离子枪331内的气体为氩气和水蒸气的混合气体，其中水蒸气的体积比为5-20％，混合气体流量为2-100L/min，气体通过第三离子枪加热并离子化后进入第三区330内的氧化坩埚350，处理硅液，工作时间为1-60min。加入水蒸气的目的是进一步除去硅液中的杂质硼、碳和金属杂质；在第四区340上方是第四等离子枪341，第四等离子枪341内的气体为氩气、水蒸气和氢气的混合气体，其中水蒸气的体积比为1-10％，氢气的体积比为10-50％，混合气体流量为2-100L/min，气体通过第四离子枪加热并离子化后进入第四区340内的氧化坩埚350，处理硅液，工作时间为1-60min。加入含有水蒸气的氢气是进一步除去硅液中的微量杂质硼、碳等杂质，同时氢气还可以保护硅液发生氧化，降低硅液中的氧含量。当第四区340中的硅液处理完成之后，扳动机械手370，处理好的硅液经由第三阀门380倒入精练凝固装置中。
分步氧化装置300内的气压控制在1000-80000Pa范围内，通过真空系统500调节压力，由等离子枪送入的的气体也随时被真空系统500排出，采用这个工艺技术和装置可充分除去硅液中的杂质，特别是硼、碳等杂质。该技术可以将工业金属硅中的硼杂质浓度降低到0.1ppm以下。
精炼凝固装置400，其设置于分步氧化装置300下方，精炼凝固装置400一侧连通第三阀门380，第三阀门380下方设置有可移动的精炼坩埚410且另一侧精炼凝固装置400的底部设置有定向凝固底模420，精炼坩埚410底部设置有精炼气体喷嘴411，精炼坩埚410当硅液达到定量后精炼坩埚410移入到定向凝固底模420上方，定向凝固底模420下方设置有可带动凝固底模向下移动的拉环系统421。
精炼坩埚410收集分步氧化装置300转移进来的硅液，保持硅液的温度在1450℃以上，从精炼坩埚410底部的精练气体喷嘴通入气体，气体成分为高纯氩气，气体流量为20-200L/min。通入高纯氩气气体的目的是除去硅液中残留的其他气体杂质。当精炼坩埚410中硅液的量达到要求后，将精炼坩埚410推入一侧的定向凝固系统，开动拉环系统421，带动定向凝固底模420向下移动，实现定向凝固，除去硅中的金属杂质，定向凝固速度为0.1-5mm/min。根据金属凝固原理，在材料结晶过程中，溶质将再分配，平衡分配系数小于1的元素可以通过定向凝固被富集在最后凝固的部位，切除硅锭的高杂质部分，得到高纯度的太阳能级多晶硅产品。
实施例1
使用纯度为99.5％的固态硅为原料。将固态硅放入熔炼坩埚120，开动电磁感应加热器110使固态硅熔化，硅液温度升温到1650℃，保温30分钟，将造渣剂通过造渣剂加料器140加入熔融的硅液中，造渣剂的成分为氧化钙、氟化钙、氧化锶和氧化硅，其重量比为2：1：0.3：3，造渣剂的总量为硅液的30％，反应完成后，打开塞孔190和第一硅液开关160，将硅液转移入第一贮槽210中。
当硅液进入第一贮槽210后，使硅液温度保持在1800℃，保持真空度在10-3Pa左右，打开第二硅液开关211，使硅液从第一贮槽210流入第一个硅液流槽220中，再从第一个硅液流槽220流到第二个硅液流槽220，最后流入第二贮槽240中，2个硅液流槽220都保持向下10°倾角。
第一贮槽210与第一个硅液流槽220之间和两个硅液流槽220之间都设置了电子枪230，高能电子束轰击从槽口流出的硅液，除去硅液中的磷杂质。
硅液从第二贮槽240流进分步氧化装置300内第一区310的氧化坩埚350中，硅液温度保持在1600度。当第一区310的氧化坩埚350内的硅液量达到1公斤时，开动旋转结构360，使四个区作90度旋转，此时在第二区320的氧化坩埚350旋转到第三区330，在第二区320的氧化坩埚350旋转到第三区330，在第三区330的氧化坩埚350旋转到第四区340，依次互换位置，第四区340的硅液转移到精练凝固装置后，空的氧化坩埚350进入第一区310，重新接受从分步除磷装置转移进来的硅液，如此循环进行操作。第一等离子枪311内的气体为氩气和氧气的混合气体，其中氧气的体积比为1％，混合气体流量为25L/min，气体通过第一等离子枪311加热并离子化后进入第一区310内的氧化坩埚350，处理硅液，工作时间为6min。
第二等离子枪321内的气体为氩气和氯气的混合气体，其中氯气的体积比为2％，混合气体流量为20L/min，气体通过第二等离子枪321加热并离子化后进入第二区320内的氧化坩埚350，处理硅液，工作时间为6min。
第三等离子枪331内的气体为氩气和水蒸气的混合气体，其中水蒸气的体积比为10％，混合气体流量为30L/min，气体通过第三等离子枪331加热并离子化后进入第三区330内的氧化坩埚350，处理硅液，工作时间为6min。
第四等离子枪341内的气体为氩气、水蒸气和氢气的混合气体，其中水蒸气的体积比为10％，氢气的体积比为40％，混合气体流量为40L/min，气体通过第四离子枪加热并离子化后进入第四区340内的氧化坩埚350，处理硅液，工作时间为6min。
当第四区340中的硅液处理完成之后，扳动机械手370，处理好的硅液倒入精练凝固装置中的精炼坩埚410内，保持硅液的温度在1500℃，从精炼坩埚410底部的精练气体喷嘴通入高纯氩气，气体流量为40L/min。
当精炼坩埚410中硅液的量为480公斤时，将精炼坩埚410推入一侧的定向凝固系统，开动拉环系统421，带动定向凝固底模420向下移动，进行定向凝固，定向凝固速度为0.5mm/min。硅锭冷却后取出，切除硅锭的30％高杂质部分，得到纯度为99.99998％的太阳能级多晶硅产品。
实施例2
使用纯度为98％的固态硅为原料。将固态硅放入熔炼坩埚120，开动电磁感应加热器110使固态硅熔化，硅液温度升温到1800℃，保温20分钟，将造渣剂通过造渣剂加料器140加入熔融的硅液中，造渣剂的成分为氧化钙、氟化钙、氧化锶和氧化硅，其重量比为2：2：0.2：4，造渣剂的总量为硅液的50％，反应完成后，打开塞孔190和第一硅液开关160，将硅液转移入第一贮槽210中。
当硅液进入第一贮槽210后，使硅液温度保持在1700℃，保持真空度在10-3Pa左右，打开第二硅液开关211，使硅液从第一贮槽210流入第一个硅液流槽220中，再从第一个硅液流槽220流到第二个硅液流槽220，最后流入第二贮槽240中。2个硅液流槽220都保持向下15度的倾角。
第一贮槽210与第一个硅液流槽220之间和两个硅液流槽220之间都设置了电子枪230，高能电子束轰击从槽口流出的硅液，除去硅液中的磷杂质。
硅液从第一贮槽210流进分步氧化装置300内第一区310的氧化坩埚350中，硅液温度保持在1650度。当第一区310的氧化坩埚350内的硅液量达到1.5公斤时，开动旋转结构360，使四个区作90度旋转，此时在第一区310的氧化坩埚350旋转到第二区320，在第二区320的氧化坩埚350旋转到第三区330，在第三区330的氧化坩埚350旋转到第四区340，依次互换位置，第四区340的硅液转移到精练凝固装置后，空的氧化坩埚350进入第一区310，重新接受分步除磷装置转移进来的硅液，如此循环进行操作。第一等离子枪311内的气体为氩气和氧气的混合气体，其中氧气的体积比为1.5％，混合气体流量为40L/min，气体通过第一等离子枪311加热并离子化后进入a区内的小坩埚，处理硅液，工作时间为12min。
第二等离子枪321内的气体为氩气和氯气的混合气体，其中氯气的体积比为1.5％，混合气体流量为25L/min，气体通过第二离子枪加热并离子化后进入第二区320内的氧化坩埚350，处理硅液，工作时间为12min。
第三等离子枪331内的气体为氩气和水蒸气的混合气体，其中水蒸气的体积比为12％，混合气体流量为20L/min，气体通过第三等离子枪331加热并离子化后进入c区内的小坩埚，处理硅液，工作时间为12min。
第四等离子枪341内的气体为氩气、水蒸气和氢气的混合气体，其中水蒸气的体积比为8％，氢气的体积比为35％，混合气体流量为30L/min，气体通过第四等离子枪341加热并离子化后进入第四区340内的氧化坩埚350，处理硅液，工作时间为12min。
当第四区340中的硅液处理完成之后，扳动机械手370，处理好的硅液倒入精练凝固装置中的精炼坩埚410内，保持硅液的温度在1520℃，从精炼坩埚410底部的精练气体喷嘴通入高纯氩气，气体流量为30L/min。
当精炼坩埚410中硅液的量为480公斤时，将精炼坩埚410推入装置一侧的定向凝固系统，开动拉环系统421，带动定向凝固底模420向下移动，进行定向凝固，定向凝固速度为1mm/min。硅锭冷却后取出，切除硅锭的30％高杂质部分，得到纯度为99.99995％的太阳能级多晶硅产品。
本实用新型结构紧凑，除杂快速方便，产品纯度高，质量稳定，适合于工业化连续生产，采用该生产工艺和装置，能实现低成本、大规模的太阳能级高纯多晶硅的工业化生产。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本实用新型精神作举例说明。本实用新型所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本实用新型的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
