单晶硅多晶硅的生产工艺以及性质特点课件.ppt

22 二月 2023单晶硅多晶硅的生产工单晶硅多晶硅的生产工艺以及性质特点艺以及性质特点硅的含量及存在形式在地壳中，硅的含量居第二位在地壳中，硅的含量居第二位自然界中，只以化合态存在，是构成矿物和岩石的主要成分自然界中，只以化合态存在，是构成矿物和岩石的主要成分国内硅矿分布情况我国的水晶、石英、天然硅砂除上海、天津市以外，其它省、市、自治区均有产出。质量较好的广东、广西、青海、福建、云南、四川、黑龙江等省区；质量最好的有海南、江苏。国外硅矿的分布据资料记载，巴西较为丰富，次之为马达加斯加和危地马拉。美国、加拿大、苏联、法国、意大利、印度、澳大利亚、土耳其、缅甸等30多个国家和地区有少量资源。危地马拉巴 西马达加斯加元素属性元素属性颜色和外表：颜色和外表：深灰色、带蓝色调深灰色、带蓝色调 名称：硅名称：硅 符号：符号：Si 序号：序号：14 系列：类金属系列：类金属 族：第四主族族：第四主族 周期：周期：3 硅的性质硅的性质物理性质物理性质：沸点：沸点：2355 熔化热：熔化热：50.55kJ/mol 蒸气压：蒸气压：4.77Pa（1683K）密度：密度：2330 kg/m3 硬度：硬度：36.5 颜色和外表：颜色和外表：深灰色、有光泽深灰色、有光泽 熔点：熔点：1420 硅硅晶体类型：原子晶体晶体类型：原子晶体化学性质化学性质：（1）与单质反应）与单质反应：Si+O2=SiO2，条件：，条件：400 Si+2F2=SiF4 Si+2Cl2=SiCl4，条件：，条件：300 常温下稳定，高温下比较活泼常温下稳定，高温下比较活泼3Si+2N2=Si3N4，条件：，条件：1000 Si+C=SiC，条件：，条件：2000（2）与氧化性酸反应）与氧化性酸反应：（3）与碱反应：）与碱反应：在常温下硅能与稀碱溶液反应在常温下硅能与稀碱溶液反应 Si+2OH-+H2O=SiO32-+2H2 Si+4HF=SiF4+2H2 在常温下硅对多数酸是稳定在常温下硅对多数酸是稳定Si+4HNO3+6HF=H2SiF6+4NO2+4H2O 硅的分类工业硅工业硅高纯硅高纯硅硅硅单晶硅单晶硅无定形硅无定形硅高纯硅高纯硅多晶硅多晶硅电子级硅电子级硅太阳能级硅太阳能级硅高纯硅高纯硅工业硅工业硅的纯度约为98%-99%，又称为冶金级硅。其中含有各种杂质，如Fe、C、B、P 等 工业硅的价格20122012年上半年我国工业年上半年我国工业硅价格呈现出震荡下行硅价格呈现出震荡下行走势。走势。553553工业硅均价为工业硅均价为11930元元/吨，吨，441441工业硅均价工业硅均价1289412894元元/吨吨工业硅的生产方法工业硅是连续作业过程，无论是国内还是国外都用碳热法。以硅石和碳质还原剂为原料，在埋弧电炉中由电热法冶炼生产的。工业硅冶炼化学反应比较复杂，但最基本的反应是：SiOSiO2 2+2CSi+2CO+2CSi+2CO制备工业硅的主要流程图制备工业硅的主要流程图硅石、石焦油、木炭、煤硅石、石焦油、木炭、煤混料混料电炉熔炼电炉熔炼精炼精炼选料选料依据电炉容量大小而定依据电炉容量大小而定硅石粒度：硅石粒度：容量容量:5MVA，粒度：，粒度：880mm容量容量:516.5MVA，粒度：，粒度：50100mm固定碳固定碳82，灰分，灰分5，水分，水分1石焦油：石焦油：容量容量:5MVA，粒度：，粒度：210mm容量容量:516.5MVA，粒度：，粒度：313mm固定碳固定碳78，3mm粒度粒度80mm木炭：木炭：灰分灰分4，粒度，粒度25mm煤：煤：严格控制严格控制C与与SiO2分子比为分子比为2，保证，保证熔炼过程中不会出现熔炼过程中不会出现SiC和和SiO2剩余剩余还原剂中配碳量：还原剂中配碳量：配料配料埋弧埋弧还还原原电电炉炉主体主体设备设备，用于，用于对矿对矿石等炉料石等炉料进进行行还还原熔原熔炼炼。其生。其生产产特点是特点是电电极插入炉料，极插入炉料，实实行埋弧操作，并利用行埋弧操作，并利用电电阻、阻、电电弧加弧加热矿热矿石使之石使之还还原原。1、炉料预热区、炉料预热区2、炉料凝结区、炉料凝结区3、低温反应区、低温反应区4、高温反应区、高温反应区5、电弧区、电弧区6、硅液区、硅液区7、电极、电极8、炉衬、炉衬电电炉炉内部内部工业硅熔炼反应机理工业硅熔炼反应机理混合炉料处于预热阶段混合炉料处于预热阶段T1500 T1820 SiO2+3C=SiC+2CO SiO2+2SiC=3Si+2COT99.999%，无三废排放，易实现产业化，其副产品可以回收。铝热还原法工艺过程：利用CaO-SiO2液相辅助熔剂在16001700C条件下，对石英砂进行铝热还原反应生成多晶硅和养化铝。工艺特点：这种助熔剂一方面可以溶副产物氧化铝，同时又可以被释放出来，由于硅的密度较小，它将浮在上层，经过一段时间后，将其灌入铸模中进行有控制的正常凝固，以便分离分凝系数小的杂质。用这种新的、半连续的工艺能得到比通常冶金级硅纯度高的硅。具有较低的硼、碳含量，然后将其进行破碎、酸洗和液-气萃取。氢气还原法以废旧的光纤为原料，采用等离子体技术，氢气还原光纤制备高纯的太阳能级硅，收到了很好的效果碳热还原法工艺过程：将高纯度的SiO2粉用Ar气从炉子的底部吹入炉体内，高纯的球碳团从炉顶加入，在炉体底部形成SiO气体与顶部加入的还原剂形成逆流，还原Si和生成CO。未反应的SiO在上升的过程中形成SiC，SiC和碳球一起作为还原剂下降继续还原SiO。工艺特点：由于原料的高纯度，生成的Si中其它杂质的总和小于20ppm，产品经过氧化脱碳和定向凝固除杂处理可以达到制备太阳能电池所用硅的纯度要求。又由于该工艺过程对硅石原料和还原剂的纯度要求非常严格，对碳粒度要求高，而且要避免其它杂对Si的污染，要实现大规模的生产还有很多问题要解决。多晶硅生产的发展趋势由于环保要求和传统能源即将枯竭，光伏产业出现了空前未有的繁荣，传统的生产多晶硅工艺存在高耗能、高污染、高成本以及工艺路线复杂等缺点，在一定程度上不能满足现代社会对太阳能级硅材料的需求，所以研发新的制备工艺技术非常必要而紧迫。采用废旧光纤和光纤次品为原料制备高纯太阳能级硅的工艺符合循环经济的要求，直接用冶金级硅制备太阳能级和碳热还原高纯制备太阳能级硅等工艺是有效降低生产成本的新工艺。多晶硅生产的发展趋势技术以西门子法为主，呈现技术的多元化发展；副产污染物的无害化处理，闭环生产、清洁生产成为基本要求；能耗及成本逐渐降低，进一步推动多晶硅产业的发展；价格向理性回归，进一步扩大光伏市场的规模。