冶金法制备太阳能级硅的原理及研究进展.pdf
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1、D e c 2 0 0 8飘,。:&淑S;i 鹭。慕罗夫傣等:冶金洼耩备太陌鳇缀硅的原理及冶金法制备太阳能级硅的原理及研究进展罗大伟1,张国粱1,张剑1,李军1,李廷举1 2(1 大连理工大学材料科学与工程学院,辽宁大连1 1 6 0 2 4;2 大连理工大学三束材料改性国家重点实验室,辽宁大连1 1 6 0 2 4)摘要:随着光伏市场需求不断增加,满足光伏电池技术经济指标要求的硅材料出现严重短缺,低成本提纯冶金硅至太阳能级硅工艺技术越来越受到广泛重视,成为研究开发热点。本文分析了全球光伏产业的发展现状和趋势,对目前获得太阳能级多晶硅的化学路径和冶金路径进行了对比分析;重点介绍了冶金法制备太阳
2、能级硅的工艺原理,以及目前常用的提纯技术;同时,简单介绍低成本生产太阳能级多晶硅的新工艺,并指出了冶金法可能是今后提纯多晶硅的主要研究方向。关键词:太阳能级硅;硅提纯;生产工艺;研究进展中图分类号:T M 9 1 4文献标识码:A文章编号:1 0 0 0 8 3 6 5(2 0 0 8)1 2 1 7 2 1 0 6P r i n c i p l ea n dR e s e a r c hP r o g r e s so nP r e p a r a t i o nS o l a rG r a d e(S o G)S i l i c o nb yM e t a I I u r g i c a
3、IR o u t eL U OD a-w e i l,Z H A N GG u o-l i a n 9 1,Z H A N GJ i a n l,L Ij u n l,L IT i n g-j U l 2(1 S c h o o lo fM a t e r i a l sS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g,D a l i a nU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y,D a l i a n116 0 2 4,C h i n a;2 S t a t eK e yL a b o r a t o r yo fM
4、a t e r i a l sM o d i f i c a t i o nb yL a s e r,I o na n dE l e c t r o nB e a m s,D a l i a n11 6 0 2 4,C h i n a)A b s t r a c t:W i t he v e r-i n c r e a s i n gn e e di np h o t o v o l t a i ci n d u s t r y,t h es h o r t a g eo fs i li c o nf e e d s t o c kw h i c hc a nm e e tt e c h n
5、i c a la n de c o n o m i cs p e c i f i C a t i O n So ft h ep h o t o v o l t a i cc e l l si ss e v e r e M o r ea n d m o r ea t t e n t i o n sh a v eb e e np a i dt ot h er e s e a r c ho fp r o d u c i n gs o l a rg r a d es i l i c o nb yr e f i n i n gm e t a l l u r g i c a lg r a d es i l
6、i c o n T h ed e v e l o p m e n ts t a t u sa n dt r e n do ft h ew o r l dp h o t o v o l t a i ci n d u s t r ya r er e v i e w e da n dt h ep r o c e s sf o ro b t a i n i n gp O I y c r y S t a 川n es o l a r-g r a d es i l i c o nb yc h e m i c a la n dm e t a l l u r g i c a lr o u t e sa r ec
7、 o n t r a s t i v e l ya n a l y z d T h et e c h n o l o g yp r i n c i p l e so fs o l a rg r a d es i l i c o np r e p a r e db ym e t a l l u r g i c a lr o u t e sa l o n gw i t hc o n v e n t i o n a Ip u r i f i c a t i o nt e c h n i q u e sa r ee m p h a t i c a l l yi n t r o d u c e d M
8、e a n w h i l e t h el o wc o s tt e c h n o l o g yf o rm a n u f a c t u r i n gs o l a rg r a d em u l t i c r y s t a ls i li c o ni si n t r o d u c e da n di ti sp o i n t e do u tt h a tt h em e t a l l u r g i c a lm e t h o dm a y b et h e f u t u r er e s e a r c hd i r e c t i o nf o rp u
9、 r i f y i n gm u l t i c r y s t a ls i l i c o n K e yw o r d s:S o l a rg r a d es i l i c o n;S i l i c o np u r i f i c a t i o n;M a n u f a c t u r i n gp r o c e s s;R e s e a r c hp r o g r e s s光伏发电是目前可再生能源中比较成熟的技术,光伏产业的高速增长,催生了对多晶硅的大量需求,图1 为世界光伏产业高速发展的形势 I 。在大多数国内光伏企业中,硅材料的成本占到了太阳能电池总生产成本
10、的5 6 2 以上,约占并网光伏发电系统成本的3 0【1 ,太阳能电池成本构成图如图2 所示L 1 J。光伏产业应用的市场障碍主要是成本过高以及硅材料的短缺。目前,用于生产太阳能级多晶硅的原料主要来自收稿日期:2 0 0 8 0 9 0 7:修订E l 期:2 0 0 8 一1 0 0 8基金项目:国家自然科学基金重点项目(5 0 4 7 4 0 5 5)作者简介:罗大伟(1 9 8 3 一),内蒙古通辽人,博士研究方向:太阳能级多晶硅的制备与研究E m a i l:l u o d l u t y a h o o c o r n c n1 7 2 1于微电子工业中生产的边角废料,一是在工业硅提
11、纯过程中达不到电子级硅要求而产生的废料;二是拉成的单晶硅锭在做硅片切割时两头截去的部分,经重熔铸锭后生产太阳能硅片,是主要的原料来源。考虑到应用于微电子工业和光伏领域的硅的规模和纯度以及包含在工艺过程中的成本的不同,研究者们的注意力都已经转移到寻找更加经济的途径来生产太阳能级硅。1冶金法制备太阳能级多晶硅的特点目前获得太阳能级多晶硅的途径被分为两类,第一类是化学路径即借助于西门子工艺来提纯硅,第二类是冶金法,包括直接从冶金级硅获得太阳能级硅2 l。万方数据80 0 070 0 060 0 050 0 040 0 030 0 020 0 0l0 0 0D e c 2 0 0 8砰:勰喙墩。;o
12、删山,岳,n7 I,。一。一。,+,_,-,。,嘲F i g 1H i g hs p e e dd e v e l o p m e n ts i t u a t i o no ft h ew o r l dp h o t o v o h a i ei n d u s t r y图2 太阳能电池成本构成F i g 2P r o d u c tc o s to fs o l a rc e l l冶金法最早是由川崎制铁(K a w a s a k iS t e e lC o r p)于1 9 9 6 年起,在N E D O 的支持下开发的由工业硅生产太阳能级硅方法。冶金法主要采用冶炼的方法对工业硅进
13、行提纯。相对于化学途径而言,冶金法生产太阳能级多晶硅具有以下优点。(1)冶金法生产太阳能级多晶硅总的生产成本比化学途径要低很多,冶金法生产成本为1 3 1 5 欧元k g,化学途径为2 0 2 5 欧元k g。(2)化学路径路径中包含氯代硅烷的生成和与盐酸反应的过程,除了有毒以外,这些化合物还具有腐蚀性,能够对皮肤和黏液似的薄膜产生刺激,而冶金法不包含生成氯代硅烷的过程,不会产生上述问题。(3)通过化学反应得到两种硅烷化合物三氯化硅和四氯化硅在太阳能级硅生产工艺过程中作为中间产物,不但具有高的挥发性、腐蚀性和有毒,而且在操作过程中也需要高度的仔细。因为在有水和盐酸的情况下,他们是极易发生爆炸的
14、,冶金法相对比较安全。(4)在利用化学方法生产太阳能级多晶硅过程中,生产每平方米的电池大约排放0 0 0 2k g 的氯气,由于氯气的密度大于空气,能够加速中毒的过程,因此控制氯气的排放是非常重要的,冶金法生产过程中则不会产生氯气。(5)冶金过程中总的能量消耗是比较低的,实际1 7 2 2上的能量消耗大约要比西门子工艺过程能量的消耗低2 5 左右。从环境的角度来看,冶金法具有重要的意义,因为光伏工业的高速增长是与可更新和清洁的能量产生方式直接相关联的,由于冶金法投资少,建设周期短,生产能耗低,所以被公认为是多晶硅制备工艺中较有前途的一种工艺。2 冶金法制备太阳能级硅的原理2 1定向凝固原理工业
15、硅中还有多种金属杂质和非金属杂质,如表1 所示,除B、P、A s、O 等几种杂质外,其它杂质在硅熔体结晶过程中的平衡分凝系数远小于1,利用这个特性,采用定向凝固使杂质原子不断从固一液界面偏析到硅熔体中,待硅熔体全部结晶完毕,采用机械切除杂质浓度高的部分,获得提纯多晶硅 3“。定向凝固工艺是一种去除杂质非常有效的方法,整个过程中没有任何化学反应,在理想的定向凝固条件下,除了P、B、o 和C 以外,大部分的杂质通过两次的定向凝固精练以后都能够满足太阳能级硅的要求。但是定向凝固工艺成本比较高,通过减少定向凝固的次数,能够大幅度的降低太阳能级硅的生产成本。表1 硅熔体结晶过程中杂质平衡分凝系数T a
16、b 1E q u i l i b r i u ms e g r e g a t i o nc o e f f i c i e n t so fi m p u r i t i e si nt h ec r y s t a l l i z a t i o np r o c e s so fs i l i c o n(尼。一f。c 1)杂质平衡分凝杂质平衡分凝杂质平衡分凝元素系数元素系数元素系数B9 1 0 一1o一1L il 1 0 2A l2 1 0 1C7 1 0 2Z n1 1 0 一5G a8 1 0 3S n1 6 1 0 2M n1 1 0 5I n4 1 0 4A u3 1 0 5S
17、1 1 0 5T i2 1 0 一6C u5 1 0 4P3 5 1 0 1N4 1 0 一4C o8 1 0 6A s3 1 0 1S b2 3 1 0 一2F e8 1 0 8A g1 1 0 52 2 饱和蒸汽压原理真空条件下除杂的效果主要取决于杂质的蒸汽压、炉内的真空度和熔炼的温度,挥发是去除杂质的主要途径,比基体饱和蒸气压大的杂质元素容易除掉,但也有不利的一面,即基体由于挥发损失很大。各种主要杂质的饱和蒸汽压与温度的关系如图3 所示J,可以看出,各种杂质的饱和蒸气压都随温度的升高而升高,瞬间将基体材料加热至高温状态,从而增加杂质元素的饱和蒸汽压,使杂质元素易于挥发去除。利用硅中P、A
18、 I、N a、M g、S、C i 等杂质具有远大于硅元素的饱和蒸气压,在高温真空环境中更易以气体形式从硅熔0OO0O0OO 曩765432 O万方数据D e c 2 0 0 8玉。,、:、。h,j;一。罗夹俸等:冶金法制备太阳能级硅的原璜及体表面挥发出去的特性,应用高真空设备,抽出硅熔体中挥发的杂质气体达到去除杂质的目的。尤其是硅熔体中分凝系数较大,对硅材料性能影响很大的P 杂质。对于那些蒸汽压接近于或者高于硅的蒸汽压的杂质元素,利用真空条件下的蒸发技术去除是非常有效的。在15 0 0 时硅的蒸汽压为5 1 0 P a,图4 为在15 0 0 时各种杂质的除杂率与蒸汽压的关系 6 ,由于B 的
19、蒸汽压在相同温度下比硅的蒸汽压要低很多,所以利用真空挥发并不能去除杂质B。l O 1 0 l O 叫芒1 0。妻 5糕1 0“1 0 21 0 1 11 0 jS i O(0 1 6 m a s s p p m)百一7 0 0l7 5 018 0 0l8 5 0温度K图3 饱和蒸气压与温度的关系F i g 3R e l a t i o nb e t w e e nt e m p e r a t u r ea n ds a t u r a t i o nv a p o rp r e s s u r e s兮已膊篮粕帕垛1 0 09 04 03 0一Si-no+60F eA IC av BT iP
20、口C U4-M noM g1 0 41 0 21 0。1 021 0 41 0 6蒸汽压P a图4 杂质的除杂率与其蒸汽压的关系F i g 4R e l a t i o n s h i pb e t w e e nr e m o v a le f f i c i e n c yo ft h ei m p u r i t i e sa n dv a p o rp r e s s u r e s2 3 抗腐蚀性原理由于硅对所有的酸(除了H F 酸以外)都具有较高的抗腐蚀性。所以利用酸洗来去除偏析在晶界处的杂质相是一种非常有效的方法。最近S a k a t aT等对酸洗提纯硅进行了系统的基础研究,从
21、本质上说,酸洗主要是利用了硅具有较小的分凝系数的特性,借助于富含杂质相的溶解,剩余的硅晶体得到了提纯。然而,仅仅依靠酸洗并不能制备出高纯度的硅。还必须借助于其他的辅助提纯工艺才能生产出高纯度的硅。2 4造渣原理造渣去杂利用硅熔体中某些不易挥发性杂质与加1 7 2 3铸速技术j 庄铸飞F o u n d r yT e c h n o l o g y。o 旧C a s t,n g葶,嗣入硅熔体中的造渣剂发生化学反应,形成渣相上浮到硅熔体表面或下沉到硅熔体底部,凝固后与提纯硅结晶体分开,达到去杂效果。在定向凝固提纯工艺中,A l、F e、C a、B 等元素并不能通过一次定向凝固过程而达到太阳能级硅的
22、要求,虽然通过两次定向凝固能够达到要求,但是考虑到成本问题,最好只用一次定向凝固工艺。M o r i t aK 等口1 利用生成易于被酸洗掉的富含杂质的相来去除一些比较难处理的金属元素,得到了比较好的效果。但对于如何选择合适的造渣剂,既可以和硅熔体中的杂质有效反应形成渣相,又不带入新杂质,并容易在硅熔体定向凝固完成后进行切除,还需要进行大量实验和比较。2 5 吹气原理以氩气作为载气,将一定种类、数量的反应气体和反应物质粉末以一定流速和压力通入提纯炉,反应气体、反应物质粉末与坩埚中的硅熔体表面的杂质发生化学作用,生成挥发性气体或渣相,而真空系统不断抽走杂质气体。K i c h i y aS u
23、z u k l C 叼等对于氩气作为载体,氧气、二氧化碳气体以及水蒸气单独为反应气体或者彼此之间的混合气体作为反应气体的情况进行了系统的研究表明,反应气体中含有氧气和二氧化碳气体时,硅熔体的表面形成了一层S i O。薄膜,阻止了熔体内部的杂质元素与反应气体之间的相互作用,当反应气体中含有水蒸气的情况下,杂质去除的情况得到了明显的改善。因为水蒸气能够阻止S i O:薄膜的形成,所以能够使反应气体和熔体硅中的杂质元素进行充分的反应。在吹气过程中通入的气体不断搅动硅熔体,不仅加速杂质扩散,而且可以使硅熔体表面不断更新,提高化学反应速率。整个吹气过程中应严格控制反应气体成分、吹气速度,保持炉内的真空度
24、和热场温度分布等,使去杂效果达到最佳。3 冶金法制备太能级多晶硅的工艺制造太阳能级多晶硅的最直接和最经济的方法就是将金属级硅低成本地提纯,升级成可以用于太阳电池制造的太阳能级硅,而不是采用电子级高纯多晶硅的精细化学提纯工艺,其中最重要的就是将金属硅中的高浓度杂质降低到1p p m a 以下。在金属硅中,杂质含量通常在0 5 以上,其中B 和P 的浓度为2 0 6 0p p m a,F e 的浓度为16 0 0 30 0 0p p m a,A i 的浓度为12 0 0 40 0 0p p m a,T i 的浓度为1 5 0 2 0 0p p m a,C a 的浓度为6 0 0p p m a。在硅
25、中,除B 和P 以外,其他金属杂质的分凝系数都较小,在1 0-5 左右或者更小,所以能够通过定向凝固的方法进行去除如。但是B万方数据囊飞 孙。:。,i?。r。?,j。2。;_!。:;I I I R j|。降,ir 和P 在硅中的分凝系数比较大,分别是0 9 和0 3 5,很难通过定向凝固的方法将它们去除。虽然国际上已经发展多种方法制备太阳能级多晶硅,但是由于没有经济实惠的技术去除B 和P,导致到目前为止,还没有一种技术能够投入大规模的工业应用。在现有的技术中,金属硅的提纯技术主要有以下几种。(1)酸洗酸洗法是日本提出的一种把冶金级硅粉碎制成太阳能级多晶硅的方法 1。首先对冶金级工业硅进行熔盐精
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