冶金法太阳能级多晶硅的制取

物理冶金法制备太阳能级多晶硅技术展望摘要：分析了国内外太阳能级多晶硅的制备技术，介绍了物理冶金法制备太阳能级多晶硅的技术工艺，指出今后物理冶金法制备太阳能级多晶硅技术的研究方向和冶金法制备太阳能级多晶硅亟需解决的问题，以及未来硅材料的发展趋势。

关键词：太阳能级多晶硅；制备技术；发展趋势中图分类号：o59 文献标识码：a 文章编号：1009-0118（2011）-10-0-01一、引言多晶硅是太阳能光伏产业最主要、最基础的功能性材料。

太阳能光伏电池包括单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池、非晶硅太阳能电池、化合物半导体太阳能电池[1-2]，其中多晶硅太阳能电池占太阳能电池市场份额的55%以上[3]。

随着绿色能源战略的实施，我国在光伏研究和产业方面取得了较快发展，太阳能级多晶硅市场需求得以继续保持旺盛的势头，预计在未来数年内，多晶硅的需求将持续以40%左右的速度增长[4]。

当前我国太阳能级多晶硅生产技术研发能力低，多为中低档产品，企业分散,生产规模小，国内自给率低。

针对目前我国太阳能级多晶硅发展现状，必须加快太阳能级多晶硅生产技术的自主创新，不断探索低成本生产太阳能级多晶硅的方法，改变我国多晶硅产业受制于国际市场的状况，提高我国生产多晶硅市场竞争力，否则将危及我国光伏产业的发展。

本文将对国内物理冶金法制备制备太阳能级多晶硅技术情况进行综述。

二、国内外多晶硅生产的主要技术（一）改良西门子法——闭环式三氯氢硅氢还原法：1955年，西门子公司成功开发了利用h2还原sihcl3在硅芯发热体上沉积硅的工艺技术，并于1957年开始了工业规模的生产，这就是通常所说的西门子法。

（二）硅烷法——硅烷热分解法：1956年，英国标准电讯实验所成功研发出了硅烷（sih4）热分解制备多晶硅的方法，即通常所说的硅烷法。

1959年，日本的石冢研究所也同样成功地开发出了该方法。

后来，美国联合碳化物公司采用歧化法制备sih4，并综合上述工艺且加以改进，便诞生了生产多晶硅的新硅烷法。

工业硅生产与冶金法太阳能级多晶硅的制取在今天的文章中，我们将深入探讨工业硅的生产过程以及如何通过冶金法来制取太阳能级多晶硅。

这两个主题在能源和材料科学领域中都占据着至关重要的地位。

让我们一起来了解这两个复杂而又引人入胜的领域。

一、工业硅的生产工业硅，也被称为金属硅，是一种在工业上广泛应用的非铁合金。

它的生产过程主要包括以下步骤：硅石熔炼：硅石，一种含硅量高达99%的矿石，是工业硅生产的主要原料。

在熔炼过程中，硅石与碳质还原剂混合并加热至高温，生成的碳化硅在炉内进行反应，产生工业硅和一氧化碳。

粗硅提纯：产生的工业硅中含有大量的杂质，如铁、铝、钙等。

通过与氯化物反应生成挥发性氯化物，再经过蒸馏和冷凝，可以去除大部分的杂质，得到纯度较高的粗硅。

精炼：最后一步是精炼过程，通过在真空中蒸馏粗硅，进一步去除剩余的杂质，得到高纯度的工业硅。

二、冶金法太阳能级多晶硅的制取冶金法是一种制取太阳能级多晶硅的重要方法。

其基本原理是利用物理分离方法，将工业硅中的杂质有效地去除，同时保留其良好的半导体特性。

以下是其主要步骤：定向凝固：首先将工业硅加热至熔融状态，然后缓慢冷却至凝固点，并控制凝固方向，以形成多晶硅锭。

杂质分离：通过特殊的热处理过程，使杂质与多晶硅分离，并聚集在锭的表面，形成一层杂质层。

晶粒定向生长：在特定的热处理条件下，多晶硅锭内部的晶粒会按照一定的方向生长，形成多晶硅锭的大晶粒结构。

切割和研磨：将多晶硅锭切割成小块，并进行研磨处理，以得到表面平整、晶粒分布均匀的太阳能级多晶硅。

质量检测：最后进行严格的质量检测，以确保产品的各项性能指标符合要求。

结论：工业硅的生产和冶金法制备太阳能级多晶硅是能源和材料科学的重要领域。

通过了解这两个过程，我们可以更好地理解这些关键材料的制取过程和背后的科学原理。

随着科技的不断发展，我们期待着这些技术在未来能够实现更高的效率和更低的成本。

太阳能级多晶硅冶金法制备技术引言太阳能是目前全球关注和研究的热点领域之一。

太阳能电池作为太阳能利用的核心设备，其材料的制备技术对太阳能电池的转换效率起着至关重要的作用。

其中，多晶硅作为太阳能电池的主要材料之一，在光电转换效率、稳定性和成本方面都具备优势。

本文将对太阳能级多晶硅的冶金法制备技术进行全面、详细、完整且深入地探讨。

二级标题1：太阳能级多晶硅冶金法的背景在过去几十年中，太阳能技术有了长足的发展，太阳能电池的制备技术也取得了长足的进步。

多晶硅作为太阳能电池最常用的材料之一，其制备技术一直是研究的热点。

三级标题1：多晶硅的特性与应用多晶硅具有良好的光电转换效率和稳定性，同时也具备成本低廉的优势，因此被广泛应用于太阳能电池领域。

其晶体结构呈现多晶形态，晶内晶界的存在对其光电性能有一定影响。

三级标题2：太阳能级多晶硅冶金法的意义太阳能级多晶硅的制备技术对太阳能电池的电能转换效率和稳定性有着直接的影响。

通过优化太阳能级多晶硅的冶金法制备技术，可以提高太阳能电池的光电转换效率，降低制造成本，促进太阳能的大规模应用。

二级标题2：太阳能级多晶硅冶金法制备技术的研究进展太阳能级多晶硅冶金法制备技术是当前太阳能电池研究的重要方向之一，并且取得了一定的研究进展。

三级标题1：传统多晶硅制备技术传统的多晶硅制备技术主要包括气相法、液相法和固相法。

这些技术在制备过程中存在一些缺陷，如能耗高、成本高、污染严重等问题。

三级标题2：现代多晶硅制备技术随着科技的发展，现代多晶硅制备技术不断涌现。

例如，改进的气相法、液相法和固相法，以及新兴的等离子体聚合法、阵列纳米线法等。

这些技术在提高多晶硅的制备效率、降低成本和环境友好方面具有潜力。

二级标题3：太阳能级多晶硅冶金法制备技术的发展趋势太阳能级多晶硅冶金法制备技术的发展趋势主要包括制备效率的提高、成本的降低和环境友好型制备技术的研究。

三级标题1：制备效率提高提高制备效率是目前研究的重点之一。

国内外冶金法提纯太阳能级多晶硅的关键技术1、日本Kawasaki Steel 公司（日本新日铁）：以冶金级金属硅为原料，使用两段法进行提纯，第一阶段，在电磁炉中采用真空除P、定向凝固法初步除去金属杂质；第二阶段，在等离子体熔炼炉中，在氧化气氛下除B和C，熔化的硅再次定向凝固最后除去金属杂质。

在两步定向凝固过程中，金属杂质经过固/液分界面上直接偏析出来，材料纯度达到了太阳能级多晶硅的要求。

相关技术已经在国外公司使用。

2、德国Heliotronic/Wacker公司（德国瓦克）：首先采用酸浸，使得硅金属中的杂质进入溶液，随后对浸出后的渣滓进行熔化，最后进行定向凝固；3、德国Bayer AG 公司：采用酸浸，然后在反应性气体（氢气、水蒸气、四氯化硅）中熔化，以除去其中的部分杂质，最后采用真空和定向凝固的方法，以实现除杂效果。

4、挪威Elkem公司：主要是将金属硅破碎后酸浸，然后加入高纯金属，采用定向凝固等方法除去硅中的杂质。

提纯后的多晶硅中的主要杂质B、P均控制在1ppm以下，并实现工业化生产。

5、国内的冶金工艺技术该方法以冶金级硅为原料，结合湿法处理、等离子和电磁感应加热等手段，以真空氧化精炼、真空蒸馏精炼、真空脱气、真空凝固精炼等真空冶金过程为主，由冶金级硅直接制备太阳能级多晶硅。

所采用的技术路线如下：冶金级硅去除部分铁、铝、钙、钛等杂质太阳能级硅锭图1.真空综合法制备太阳能级硅工艺流程图与现有的多晶硅制备技术相比，该技术具有以下特点：（1）以真空冶金新技术为主体。

我国在有色金属真空冶金领域研究特色鲜明，研究水平达到国际先进水平，所开发的真空冶金新技术和配套设备都具有自主知识产权，为新工艺的研究已积累了较丰富的研究开发经验，具备了良好的研究条件；（2）投资少。

1000吨/年生产线预计需投资约1.5亿元；（3）设备简单、安全性好。

经预处理后的精炼过程都是在真空条件下完成，所需辅助系统少，安全性也较高；（4）电耗和生产成本低。

太阳能级多晶硅能耗高、污染重，让多晶硅生产企业深受诟病。

在低碳经济成为世界潮流的时候，我国多晶硅生产企业面临更大压力。

近年来，针对太阳能级多晶硅的质量要求发展起来一种新工艺——冶金法。

冶金法制备多晶硅以廉价的工业硅为原料，采用冶金技术提纯而成，工艺路线短，能耗仅为改良西门子法的20%左右，因此被认为是最有可能生产价格低廉的制造太阳能级多晶硅新技术。

为推广和不断完善冶金法生产多晶硅工艺，冶金法太阳能多晶硅产业技术创新战略联盟于2009年9月底在宁夏银川成立。

新规定催生新技术为了落实国务院关于抑制包括多晶硅在内的部分行业产能过剩和低水平重复建设精神，国家发改委针对国内普遍采用的改良西门子法制备太阳能级多晶硅技术明确了技术门槛：多晶硅项目规模必须大于3000吨／年，占地面积小于6公顷／千吨多晶硅，还原尾气中四氯化硅、氯化氢、氢气回收利用率不低于98.5%、99%、99%；引导、支持多晶硅企业以多种方式实现多晶硅—电厂—化工厂联营，支持节能环保太阳能级多晶硅技术开发，降低生产成本。

到2011年前，淘汰综合电耗大于200千瓦时／千克的多晶硅产能。

冶金法太阳能多晶硅产业技术创新战略联盟秘书长、中国产学研合作促进会新材料专业委员会副理事长李义春介绍，当前，我国大多数多晶硅生产企业采用的是西门子法。

虽然国外的改良西门子法已经发展成熟，但一直为几家大公司所垄断，对我国进行技术封锁。

我国一些小企业采用拼凑的设备和技术生产，能耗和污染得不到有效控制，产品质量和成本均不具备优势。

赛迪公司顾问开发区咨询中心咨询师江华明确表示，我们应集中科技资源，共同研发制定中国多晶硅产业的总体布局、技术路线、工艺方法、环保和综合利用方案等，除获得成熟西门子法生产多晶硅的工艺外，加大力度对流化床法、冶金法等多晶硅生产工艺进行开发研究，并针对不同市场，形成多种工艺技术既相互竞争又各自针对合适目标协调发展的技术格局。

李义春介绍，国内外现有的多晶硅厂绝大部分采用改良西门子法生产多晶硅。

冶金提纯法制备太阳能级多晶硅研究一、本文概述随着全球能源需求的日益增长和对可再生能源的迫切需求，太阳能作为一种清洁、可再生的能源形式，正受到越来越多的关注。

太阳能级多晶硅作为太阳能电池的主要原料，其质量对太阳能电池的光电转换效率具有决定性影响。

研究和开发高效、环保的太阳能级多晶硅制备技术，对于推动太阳能产业的发展具有重要意义。

本文旨在探讨冶金提纯法制备太阳能级多晶硅的研究。

我们将简要介绍太阳能级多晶硅的制备原理及其在太阳能电池中的应用。

我们将重点阐述冶金提纯法的原理、工艺流程及其优点，同时分析该方法在制备太阳能级多晶硅中的适用性。

我们将通过实验数据，详细分析冶金提纯法制备太阳能级多晶硅的效果，包括纯度、晶体结构、光电性能等方面的评价。

我们将对冶金提纯法制备太阳能级多晶硅的前景进行展望，并提出可能的改进方向和建议。

通过本文的研究，我们期望能够为太阳能级多晶硅的制备提供一种新的、高效的方法，为推动太阳能产业的发展做出贡献。

二、太阳能级多晶硅的制备方法与比较冶金法提纯：冶金法提纯多晶硅主要包括硅矿的破碎、熔炼、精炼等步骤。

通过高温熔炼，硅矿石中的杂质如铁、铝、钙等被氧化去除，得到较为纯净的硅液。

随后，硅液经过进一步的精炼处理，如定向凝固、区域熔炼等，以去除残余杂质，最终得到太阳能级多晶硅。

冶金法提纯具有原料丰富、成本低廉的优点，但其提纯效率相对较低，且对环境污染较大。

化学气相沉积法（CVD）：CVD法是通过在反应器中使含硅气体在高温下分解，生成硅沉积在基底材料上，再经过退火、切割等工艺得到多晶硅。

该方法提纯效率高，制备的多晶硅纯度高，适用于大规模生产。

CVD法所需的设备投资大，运行成本高，且制备过程中产生的废气处理难度较大。

硅烷法：硅烷法是通过硅烷气体的热分解制备多晶硅。

硅烷气体可通过氢化硅烷化反应制备，其纯度较高。

硅烷法制备的多晶硅纯度高，且制备过程相对简单。

硅烷气体具有毒性，储存和运输过程中需采取严格的安全措施，限制了其在大规模生产中的应用。

多晶硅生产工艺流程(简介)-------------------------来自于网络收集多晶硅生产工艺流程,多晶硅最主要的工艺包括，三氯氢硅合成、四氯化硅的热氢化（有的采用氯氢化），精馏，还原，尾气回收，还有一些小的主项，制氢、氯化氢合成、废气废液的处理、硅棒的整理等等。

主要反应包括：Si+HCl---SiHCl3+H2（三氯氢硅合成）;SiCl4+H2---SiHCl3+HCl（热氢化）;SiHCl3+H2---SiCl4+HCl+Si （还原）多晶硅是由硅纯度较低的冶金级硅提炼而来，由于各多晶硅生产工厂所用主辅原料不尽相同，因此生产工艺技术不同；进而对应的多晶硅产品技术经济指标、产品质量指标、用途、产品检测方法、过程安全等方面也存在差异，各有技术特点和技术秘密，总的来说，目前国际上多晶硅生产主要的传统工艺有：改良西门子法、硅烷法和流化床法。

改良西门子法是目前主流的生产方法，采用此方法生产的多晶硅约占多晶硅全球总产量的85％。

但这种提炼技术的核心工艺仅仅掌握在美、德、日等7家主要硅料厂商手中。

这些公司的产品占全球多晶硅总产量的90%，它们形成的企业联盟实行技术封锁，严禁技术转让。

短期内产业化技术垄断封锁的局面不会改变。

西门子改良法生产工艺如下：这种方法的优点是节能降耗显著、成本低、质量好、采用综合利用技术，对环境不产生污染，具有明显的竞争优势。

改良西门子工艺法生产多晶硅所用设备主要有：氯化氢合成炉，三氯氢硅沸腾床加压合成炉，三氯氢硅水解凝胶处理系统，三氯氢硅粗馏、精馏塔提纯系统，硅芯炉，节电还原炉，磷检炉，硅棒切断机，腐蚀、清洗、干燥、包装系统装置，还原尾气干法回收装置；其他包括分析、检测仪器，控制仪表，热能转换站，压缩空气站，循环水站，变配电站，净化厂房等。

（1）石英砂在电弧炉中冶炼提纯到98%并生成工业硅，其化学反应SiO2+C→Si+CO2↑（2）为了满足高纯度的需要，必须进一步提纯。