太阳能级多晶硅制备技术与工艺

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。

太阳能级多晶硅生产工艺及污染防治措施摘要：本文通过分析太阳能级多晶硅的生产企业生产工艺和环境污染环节的相关情况，探讨其污染环节产生的废弃物数量、种类以及排放量，对由此产生的环境污染程度和影响做出准确的预测，并提出相对应的环保措施和对策。

关键词：多晶硅生产工艺污染防治多晶硅可以直接用于太阳能电池及单晶硅的原料，在当今原料运用中具有重要意义，在人工智能、信息处理、操作控制等方面占据着基础的重要地位。

一些科技发达的国家如美国、日本等长期以来都采用市场垄断和技术封锁等手段控制多晶硅的使用和销售，而我国90%以上的多晶硅只能靠进口，面临着严重缺货、供不应求的发展和利用问题。

为了适应市场环境的发展需求，针对我国面临的现状必须采取一定的措施，加大对多晶硅生产的技术投入和执行力度，同时还必须保证不加重对周围环境的污染，提高污染防治措施的决策性和执行力度[1]。

一、生产工艺以及污染源分析1.生产工艺流程首先将结晶硅原材料粉碎直至成为粉状后，用含31%的盐酸洗涤，完成后再用水洗尽酸。

将其甩干后进行数控冶炼将其炼化，炼化过程中加入氩气，两次进行物理分凝后直至冷却，则可完成多晶硅产品的制作。

2.流程中的污染分析2.1在工艺生产的流程中，废水主要来源于水的洗涤上。

未回收的氯硅烷低沸物和氯化氢、还原炉开关的置换尾气等，各种工艺废气处理后产生了很多酸性废水。

这些废水的很大组成成分都是多晶硅的生产废水，一般来说，多晶硅废水的主要污染物是盐酸以及氯硅烷水解后产生的SiO2等等，机械处理以后这些废水会沿着管道排出，进入废水处理站的调节池。

还有纯水的制备产生的排污水，包含的污染物主要是氯化物。

此外，还有硅芯和检验棒腐蚀物的洗涤废水，其中包含了硝酸、钠盐、氢氟酸等污染物，一并流入废水处理站进行处理[2]。

2.2本项目中废气主要污染源为工艺废气及工艺粉尘。

酸洗过程中通常会产生一定的酸雾，表面积约为1m2，此道工序需使用31%的盐酸，温度大概保持在30°C左右。

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。

2流化床法——硅烷法——硅烷热分解法硅烷(SiH4)是以四氯化硅氢化法、硅合金分解法、氢化物还原法、硅的直接氢化法等方法制取。

然后将制得的硅烷气提纯后在热分解炉生产纯度较高的棒状多晶硅。

以前只有日本小松掌握此技术，由于发生过严重的爆炸事故后，没有继续扩大生产。

但美国Asimi和SGS 公司仍采用硅烷气热分解生产纯度较高的电子级多晶硅产品。

以四氯化硅、氢气、氯化氢和工业硅为原料在流化床内(沸腾床)高温高压下生成三氯氢硅，将三氯氢硅再进一步歧化加氢反应生成二氯二氢硅，继而生成硅烷气。

制得的硅烷气通入加有小颗粒硅粉的流化床反应炉内进行连续热分解反应，生成粒状多晶硅产品。

因为在流化床反应炉内参与反应的硅表面积大，生产效率高，电耗低与成本低，适用于大规模生产太阳能级多晶硅。

唯一的缺点是安全性差，危险性大。

其次是产品纯度不高，但基本能满足太阳能电池生产的使用。

此法是美国联合碳化合物公司早年研究的工艺技术。

目前世界上只有美国MEMC公司采用此法生产粒状多晶硅。

此法比较适合生产价廉的太阳能级多晶硅。

3冶金法——物理法——等离子体法据资料报导，日本川崎制铁公司采用冶金法制得的多晶硅已在世界上最大的太阳能电池厂(SHARP公司)应用，现已形成800吨/年的生产能力，全量供给SHARP公司。

主要工艺是：选择纯度较好的工业硅(即冶金硅)进行水平区熔单向凝固成硅锭，去除硅锭中金属杂质聚集的部分和外表部分后，进行粗粉碎与清洗，在等离子体融解炉中去除硼杂质，再进行第二次水平区熔单向凝固成硅锭，去除第二次区熔硅锭中金属杂质聚集的部分和外表部分，经粗粉碎与清洗后，在电子束融解炉中去除磷和碳杂质，直接生成太阳能级多晶硅。

现在，只有BSI和ELKEM能够批量生产，DOW CONNING，5N的多晶硅，13.3%的光电转换效率。

物理法的目标是做到6N，也就是杂质要做到1个ppm以下，但那一个ppm的杂质，是硼，是磷，还是铁，或者是哪几种杂质混合的，每种杂质的比例又是多少，这种种不同的组合，所得到的硅材料的性能是大不一样的。

晶体硅太阳能电池生产工艺流程图电池片工艺流程说明：(1)清洗、制绒：首先用化学碱（或酸）腐蚀硅片，以去除硅片表面机械损伤层，并进行硅片表面织构化，形成金字塔结构的绒面从而减少光反射。

现在常用的硅片的厚度在 180 μm 左右。

去除硅片表面损伤层是太阳能电池制造的第一道常规工序。

(2)甩干：清洗后的硅片使用离心甩干机进行甩干。

(3)扩散、刻蚀：多数厂家都选用 P型硅片来制作太阳能电池，一般用 POCl3液态源作为扩散源。

扩散设备可用横向石英管或链式扩散炉,进行磷扩散形成 P-N结。

扩散的最高温度可达到 850- 900℃。

这种方法制出的 PN结均匀性好，方块电阻的不均匀性小于 10％，少子寿命大于 10 微秒。

扩散过程遵从如下反应式：4POCl3＋3O2（过量）→ 2P2O5＋2Cl 2（气） 2P2O5＋5Si → 5SiO2 + 4P 腐蚀磷硅玻璃和等离子刻蚀边缘电流通路，用化学方法除去扩散生成的副产物。

SiO2与HF生成可溶于水的 SiF 62-，从而使硅表面的磷硅玻璃（掺 P2O5的SiO2）溶解，化学反应为：SiO2＋6HF → H2（SiF 6）＋ 2HO(4) 减反射膜沉积：采用等离子体增强型化学气相沉积(PECVD: Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)技术在电池表面沉积一层氮化硅减反射膜，不仅可以减少光的反射，而且由于在制备SiNx 减反射膜过程中有大量的氢原子进入，因此也起到了很好的表面钝化和体钝化的效果。

这是因为对于具有大量晶界的多晶硅材料而言，晶界的悬挂键被饱和，降低了复合中心的原因。

由于表面钝化和体钝化作用明显，就可以降低对制作太阳能电池材料的要求。

由于增强了对光的吸收，氢原子对太阳能电池起到很好的表面和体内钝化作用，从而提高了电池的短路电流和开路电压。

(5)印刷、烧结：为了从电池上获取电流，一般在电池的正、背两面制作电极。

第1篇一、引言多晶硅是光伏产业和半导体产业的重要原材料，广泛应用于太阳能电池、太阳能热利用、半导体器件等领域。

随着新能源产业的快速发展，对多晶硅的需求量日益增加。

本文将详细介绍多晶硅的生产工艺流程，旨在为相关企业和研究人员提供参考。

二、多晶硅生产工艺流程概述多晶硅的生产工艺流程主要包括以下几个阶段：原料处理、还原反应、熔融提纯、铸造、切割、清洗、包装等。

三、多晶硅生产工艺流程详解1. 原料处理多晶硅的生产原料主要是冶金级硅（Si），其含量在98%以上。

首先，将冶金级硅进行破碎、研磨等处理，使其达到一定的粒度要求。

2. 还原反应还原反应是多晶硅生产的关键环节，其主要目的是将冶金级硅中的杂质去除，得到高纯度的多晶硅。

还原反应分为以下几个步骤：（1）将处理后的冶金级硅加入还原炉中。

（2）在还原炉中通入还原剂，如碳、氢气等，与冶金级硅发生还原反应。

（3）在还原过程中，炉内温度保持在约1100℃左右，反应时间为几小时至几十小时。

（4）反应结束后，将还原炉内的物料进行冷却、破碎、研磨等处理。

3. 熔融提纯还原反应得到的粗多晶硅中仍含有一定的杂质，需要通过熔融提纯的方法进一步去除。

熔融提纯主要包括以下几个步骤：（1）将粗多晶硅加入熔融炉中。

（2）在熔融炉中通入提纯剂，如氢气、氯气等，与粗多晶硅发生反应，生成挥发性杂质。

（3）将挥发性杂质通过炉顶排气系统排出，实现提纯。

（4）提纯结束后，将熔融炉内的物料进行冷却、破碎、研磨等处理。

4. 铸造将提纯后的多晶硅熔体倒入铸造炉中，进行铸造。

铸造过程主要包括以下几个步骤：（1）将熔融的多晶硅倒入铸锭模具中。

（2）在铸锭模具中通入冷却水，使多晶硅迅速凝固。

（3）待多晶硅凝固后，将铸锭模具从熔融炉中取出，得到多晶硅铸锭。

5. 切割将多晶硅铸锭切割成所需尺寸的硅片。

切割过程主要包括以下几个步骤：（1）将多晶硅铸锭放置在切割机上。

（2）在切割机上安装切割刀片，将多晶硅铸锭切割成硅片。

浅谈太阳能级高纯多晶硅的制备方法作者：余建张红来源：《电子世界》2012年第20期【摘要】高纯多晶硅是制备多晶硅太阳能电池的材料，同时也是制备单晶硅的前道材料，在太阳能光伏行业及集成电路行业，有着极为广泛的应用。

简要介绍几种主要的高纯多晶硅的制备技术，并探讨新型的制备技术。

【关键词】多晶硅；光伏；太阳能电池；高纯1.引言当前，我国太阳能光伏产业正处于高速发展时期，太阳能电池，尤其是多晶硅电池，对高纯多晶硅的产量和质量要求越来越高，目前，我国多晶硅产能、产量不断扩大，2010年太阳能光伏电池产量已高达21GW。

根据有关统计数据，从2005年开始，我国多晶硅产量、产能出现爆发式增长，2008年的产量已接近4500吨，产能超过一万吨；2010年，国内多晶硅产量达到4.5万吨，投产企业多达28家。

在目前的太阳能电池材料中，重心已由单晶向多晶方向发展，主要有以下几个原因：1）可供太阳能电池使用的单晶头尾料越来越少。

2）利用浇铸法和直熔法制备的高纯多晶硅，为方形形状，省去了圆形单晶硅片的划片工艺，节省了原材料。

3）近年来，多晶硅工艺不断进步，全自动浇铸炉没次可生产200kg以上多晶硅锭，晶粒尺寸更大，达到厘米级。

多晶硅制备，综合了多项相对复杂的高技术，涉及化工、电子、电气、机械和环保等多个学科。

当前，太阳能级多晶硅的制备，主要采用物理和化学的方式。

目前，国内外最常用方法是“改良西门子工艺”，此工艺占据了全球太阳能级多晶硅产量的85%以上。

但是，“改良西门子工艺”对原材料、技术的要求很高。

国内从80年代后期开始引进此工艺，虽然经过了近30年的不断发展和改进，但整体的制备工艺、关键核心设备仍依赖引进。

2.高纯石英砂制备石英砂（SiO2 99.9%）是制备多晶硅的基本原材料，主要用作半导体工业、光伏工业的原材料。

石英砂的纯度和杂质元素含量直接决定了所制备产品的好坏。

传统石英砂的制备工艺为：粗选→破碎→焙烧→水碎→粉碎→除铁→酸浸泡→浮选→去离子水冲洗→干燥等工序。