冶金法制備太陽能級多晶硅

姚金江

（湖南有色金屬研究院，湖南長沙 410100）

冶金法制備太陽能級多晶硅

姚金江

（湖南有色金屬研究院，湖南長沙 410100）

作為目前制備多晶硅的主流工藝——改良西門子法，其工業生產技術很成熟，但是高能耗和高生產成本依然是阻礙該過程的主要原因。冶金法具有生產效率高，成本低的優點，這個方法可用來提純冶金級硅，以制備太陽能級多晶硅。文章介紹了冶金法制備太陽能級多晶硅的主要工藝，結果表明：冶金級硅的各種提純過程中，沒有任何一個能單獨制備低價太陽能級硅，但是可以通過把這些過程按照最優化的組合結合在一起，可以實現生產低價太陽能級硅。

冶金法；太陽能級多晶硅；定向凝固；濕法精煉

隨著全球范圍內傳統能源的枯竭以及石油價格的不斷攀升，太陽能作為環境友好能源受到全世界的廣泛關注。尤其是如何生產高效率、低費用的太陽能電池成為科學家的研究重點。多晶硅是作為光伏轉換器最好的材料之一，95%的太陽能電池都是以硅作為基材［1］。在未來50多年的時間內，還不可能有其它材料能替代硅材料而成為電子和光伏產業的主要材料［2］。其主要生產方法有西門子法、冶金法、硅烷法、鋅還原法、高純二氧化硅的碳熱還原法等［3］，其中西門子法是目前國際主流廠商生產多晶硅的主要工藝［4］。但是西門子法的高能耗和高成本阻礙其發展，用該方法制備太陽能級的多晶硅并不是最合理的，尤其是在歐美國家對我國進行太陽能級多晶硅反傾銷的條件下［5］。西門子法的目標是制備電子級的多晶硅，而冶金法制備多晶硅可以利用低成本制備太陽能級多晶硅，因此冶金法制備多晶硅應該引起重視。

1 冶金法制備多晶硅工藝

冶金法具有生產效率高，成本低的優點，這個方法可用來提純冶金級硅。限制太陽能級硅的主要雜質和半導體級硅一樣，只是可以介紹的雜質含量高，通過對太陽能電池轉化效率的研究，太陽能級硅主要雜質的最大允許濃度（MPCs）是雜質濃度的一個函數［6］，如圖1所示。

圖1 通過太陽能電池效率確定在P－Si中雜質含量的限制

由圖1可以確定高純硅的雜質含量是否滿足太陽能電池的要求。因此，很多研究者認為MPCs與偏析系數和雜質在固體硅中的溶解度有關。為了評估固相提純的效率，把雜質的偏析系數與它們在硅中的最大允許濃度聯系起來，如圖2所示。

由圖2可看出，所有研究的雜質可以分為兩組，第一組是大多數金屬雜質，它們具有非常小的偏析系數，即MPCs小，為了有效地去除這些雜質，通常用硅結晶等方法。第二組雜質（B，P，C，Cu，Al和Ni）具有非常大的偏析系數，這些雜質可以通過氣體和液體萃取的方法從熔融的硅中除去。

圖2 在（1）P－Si，（2）n－Si中雜質的最大允許濃度和偏析系數比較

表1比較了冶金級硅和太陽能級硅中主要雜質的含量，結果發現提純后的不同純度的冶金級硅中B和P的含量基本一致。眾所周知，無論應用什么方法，B和P的都很難從硅中除去。因此，為了通過凝聚相提純獲得太陽能級硅，原料用B、P含量低的冶金級硅進行提純是可以實現的。因此，應用冶金法制取高純硅必須選用B、P含量低原材料，這就降低了冶金法制備多晶硅的原料的選擇性。

對于冶金法制備多晶硅工藝，在除雜的過程中具有相當大的選擇性，按照一定的順序組合這些方法進行除雜是不錯的方法，可以選擇濕法精煉—濕法萃取—氣相萃取或從Al－Si中再結晶—濕法萃取—定向凝固的組合方法［7］。這個方法的每一步都能減少大部分雜質一個數量級的濃度，提純效率取決于雜質的物理化學性質（包括他們的偏析系數）和冶金過程的細節。這些方法將在下面進行詳細的討論。

表1 冶金級硅和太陽能級硅的雜質含量

2 冶金法制備太陽能級多晶硅步驟

2.1 濕法精煉

在提純冶金級硅時，通過酸洗進行濕法精煉通常是作為第一步的基本步驟，這個過程具有成本低和設備簡單的優點。由于多晶硅中的大部分雜質，尤其是金屬，在硅中的偏析系數低并且固溶度低，因此這些雜質在晶界處富集。因此，冶金級硅在精煉時，要粉碎到20～40μm或者更小。

為了優化這個過程，很多酸（HCl，HF，H2SO4和王水）按照不同的順序和在不同的條件下（溫度，濃度，時間）進行試驗［8，9］。總體來說，酸處理能減少金屬雜質的含量在一個數量級以上，有時候兩個數量級或更多，Fe、Al和Ca比Mg、Ti、Zr、Ni容易除去，但是這個過程不能有效地除去B、P、C和Cu。因此，需要用火法冶金過程（氣相和萃取）除去硅內部的雜質。

2.2 氣體萃取

在提純冶金級硅的過程中，氣體萃取是最重要的火法精煉過程。應用最廣泛的步驟是活性氣體通過熔融硅并且使熔體表面暴露給氣體，活性氣體通常要用惰性氣體進行稀釋，活性氣體與溶解在熔體中的雜質進行反應生成揮發性化合物，這些揮發性化合物被氣體帶走［10，11］。最常用的活性氣體有：氯氣、氧氣和他們的混合物，Al、Mg、Mn和B很容易與氯氣反應生成揮發性的氯化物（1 400℃以上），與氧氣反應生成Al、B、Mg、Ti、P、Ca和C的氧化物，CO2很容易被氣體帶走。硼和磷的氧化物最難除去，其它雜質的氧化物進入渣中，但是不能被氣體帶走。H2（含有水蒸氣）、CO、CO2和SiF4也常在氣體萃取中應用。濕潤的氫氣很容易與硼雜質反應生成揮發性的氫化硼，CO2能有效地除去碳和磷，SiF4與B、Cu、Ca和Mn反應生成揮發性的氟化物，SiF4與CO的混合氣體能與過渡金屬反應形成揮發性過渡金屬羥基，如Ni（CO）4。其它的氣體萃取方法還有通過在真空爐中，把硅熔體加熱到1 600℃以上，這個方法能顯著地減少Al、Ca、As、Sb的含量，尤其是P和C。

氣體萃取的凈化度取決于雜質的性質和操作條件，一般來說，雜質濃度可以減少一個數量級。重要的一點是氣體萃取法能有效去除B、P和C，尤其是設計針對性步驟和設備時，去除效果更好。例如，在真空爐中通過電子束的作用，硅中的磷含量能徹底被去除；硼和碳可以通過在H2＋H2O或H2＋O2中用電弧加熱的方法去除；液態硅在槽中精煉可以使碳含量由100μg／g降低到5μg／g，硼含量從14μg／g降低到0.1～0.3μg／g，磷含量從26μg／g降低到0.05μg／g［12］；通過精煉硅排水液膜的方法，B、C和O的含量可以分別降低300（0.05μg／g）、104和103數量級，Fe和Al的含量可以降低5×103數量級［13］。

氣體萃取法通常用在冶金級硅工業規模生產中，用來減少Al和Ca的濃度，并且很容易與其它冶金提煉方法結合。例如，在定向凝固后再用氣體萃取，這個方法是降低太陽能級硅中雜質最有效的方法。

2.3 濕法萃取

濕法萃取法是液體硅通過CaCO3—BaO—MgO、Al—SiO2、CaO—SiO2、CaF2—SiO2和其它熔渣進行處理［14］。提純效率由渣的組成決定，在選擇渣的時候一定要滿足以下幾個條件：（1）個別雜質在渣中的溶解一定要比在熔融硅中的溶解更好；（2）硅在渣中的溶解度一定很低；（3）渣不能與硅發生反應；（4）渣和硅的密度要有很大的差別。通常渣的含量是硅的質量的5%～30%。

在渣處理的過程中，比硅有更高氧親和力的雜質被氧化進入渣中，這個過程能有效地去除Al、Mg、Ca、B、P、Ti、Mn和V。總體來說，雜質的濃度降低一個數量級以上。在制備太陽能級硅中，這個方法能很好地降低B的含量。為了更加有效的去除雜質，各種改進方法用于渣處理過程，如在逆流狀態下在一個特別容器中進行處理［15］。濕法萃取通常與氣體萃取［16］或Al－Si系再結晶配合使用。

2.4 Al－Si二元系再結晶

由于鋁能在相當低的溫度下很容易溶解于硅和固體夾雜物中，因此，Al－Si二元系再結晶法結晶精煉的效率非常高，并且成本也不高。這個方法的主要步驟依次是：（1）硅粉和雜質溶解在鋁中；（2）熔體冷卻；（3）硅晶體沉淀以及用酸洗硅除去鋁。提純是由于在晶體增長期間，雜質不會進入固體中，還需要對鋁雜質進行稀釋再酸洗，從而去除鋁。

再結晶法能相當有效地去除、P、Fe、Ca、Ti、Cu、Cr和Mn，并且成本也不高［17］。把濕法萃取法與再結晶法結合能在很大程度上提高冶金級硅的純度。各雜質濃度降低到如下水平：Al＜1μg／g、Fe＝1.1μg／g、B＜2μg／g、P＜2μg／g、Ti＝0.5μg／g。再通過后來的定向凝固，金屬雜質的濃度還能降低至少一個數量級。

2.5 定向凝固

定向凝固過程是硅提純的最后一個步驟，這個步驟是保證硅的純度達到太陽能級的重要步驟，起著至關重要的作用。并且，這種方法可以使提純過程與晶體用不同的技術生長結合在一起［18］。由于在硅中，除了B、P和As外，大部分雜質的偏析系數都很小，因此定向凝固的提純效率相當高。例如，一次單段凝固操縱可以降低Fe、Al和Mn的含量兩個數量級以上，降低Mg、Ni和Cr的含量一個數量級以上［18］。同時定向凝固可以略微減少硼、磷和碳的含量。因此，不經過液態硅的捏煉（萃取），僅僅通過這種方法不能得到太陽能級硅。這點已經通過考察裝備有僅僅通過定向凝固的冶金級硅的太陽能電池得到了證明，這種太陽能電池的轉換效率不高于5%［19］。然而，定向凝固法與其它冶金方法優化組合可以生產高純冶金級硅，并且太陽能電池的效率很高。例如在進行綜合處理后的多晶硅的雜質含量如下：B、P、Fe、Al的含量都低于0.1μg／g；C的含量低于5μg／g。應用這種多晶硅薄片制成的太陽能電池的效率達到13%（在相同操作條件下，用電子級硅制造的太陽能電池也是這個效率）。值得注意的是，關于高純硅和太陽能電池之間還沒有一個對應關系。因為這個關系還依賴于很多其它的因素，首先是硅結構的完整性。

3 結論與展望

冶金級硅的各種提純過程中，沒有任何一個能單獨制備低價太陽能級硅，但是可以通過把這些過程按照最優化的組合結合在一起，可以實現生產低價太陽能級硅。從理論上講，冶金級硅的精煉可以用作制備太陽能級硅最基本的方法，但是這個方法需要冶金級硅中某些雜質的含量要很少，尤其是硼和磷。這樣的硅（KRP）需要由傳統的冶金級硅進行熔融氧化熔煉后制得，這個過程可以降低硼和磷的含量到30～50μg／g，生產成本增加40%。因此通過硼的含量低于10μg／g的冶金級硅制備或者用純度提高的SiO2用碳還原的方法制備都可以，另一種用冶金法生產太陽能電池的改進方法是不用冶金級硅而是用高純原材料。

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Solar－grade Polysilicon Production by M etallurgy Process

YAO Jin-jiang
（Hunan Research Institute of Nonferrous Metals，Changsha 410100，China）

Themodified Siemens process，the main process for polysilicon production，has two main disadvantages：high cost and high consumption which are the challenge for the process development.The metallurgy process，by which the solar－grade polysilicon can by manufactured，is developed under the conditions.And the advantage of metallurgy process is interesting：high effective，low cost.The main method for metallurgy process have been addressed in the paper.The results show that the solar－grade polysilicon can not be achieved by any one method.Therefore，in order to produce solar－grade polysilicon，the methods formetallurgy process should be combined by optimum sequence.

metallurgy process；solar-grade polysilicon；controlled directional solidification；hydro-refine

TG11

：A

：1003－5540（2014）02－0052－04

2014－03－10

姚金江（1983－），男，工程師，主要從事冶金工藝研究和技術管理工作。