一種去除硅材料表面雜質的方法技術

本發明專利技術公開了一種去除硅材料表面雜質的方法，屬于新能源材料制備技術領域。本方法利用強流脈沖電子束輻照處理硅材料，通過瞬時高能量注入引發表面蒸發和表層噴發過程，發揮表面蒸發去除雜質和熔體噴發去除深層雜質的雙重效果，獲得具有一定厚度且符合太陽能電池制造使用要求的表層高純多晶硅材料。本方法可對不經任何提純預處理的冶金多晶硅原料、其他提純工藝生產的中間硅材料，以及生產使用中表面出現污染和服役性能下降的回收成品硅材料直接進行表面提純處理，具有操作簡單、投資低、能耗低和無環境排放污染等優點。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于新能源材料制備
，特別涉及。
技術介紹
太陽能級多晶硅是目前最主要的光伏材料，其復雜的制造工藝和昂貴的制造成本是制約光伏產業迅速發展的瓶頸，嚴重阻礙了我國太陽能電池的推廣和使用。我國能夠自主生產的太陽能級多晶硅遠遠不能滿足需求，絕大部分原材料需要進口，開發適合我國國情的太陽能級多晶硅制備技術符合國家能源戰略的要求，是我國光伏產業發展的必由之路。目前，世界范圍內制備太陽能 電池用多晶硅材料已形成規模化生產，主要方法是改良西門子法。西門子法是以鹽酸(或氫氣、氯氣)和冶金級工業硅為原料，由三氯氫硅，進行氫還原的工藝。該法已發展至第三代，現在正在向第四代改進。第一代西門子法為非閉合式，即反應的副產物氫氣和三氯氫硅造成了很大的資源浪費。現在廣泛應用的第三代改良西門子工藝實現了完全閉環生產，氫氣、三氯氫硅硅烷和鹽酸均被循環利用，規模也在每年1000噸以上。但其綜合電耗高達170kW h/kg，并且生產呈間斷性，無法在硅材料的生產上形成連續作業，另外此法在流程的核心環節上采取了落后的熱化學氣相沉積，工藝流程的環節過多，一次轉化率低，導致流程時間太長，增加了材耗、能耗成本，造成的環境壓力較大。為此，世界各國都在積極探索制備高純硅材料的全新工藝方法，其中冶金法制備多晶硅具有生產周期短、污染小、成本低、工藝相對簡單、規模大和可控性強等特點，被認為是最能有效降低多晶硅生產成本的技術之一，目前已成為世界各國競相研發的熱點。電子束熔煉技術是冶金法制備太陽能級多晶硅的重要方法之一，它是利用高能量密度的電子束作為熔煉熱源，通過高溫蒸發去除飽和蒸汽壓高的雜質，如磷、鋁等，熔煉過程中可以配合造渣劑或氧化氣氛等手段，對指定的金屬和非金屬元素進行去除，然后通過連續控溫、單向凝固等工藝生產出高純硅材料鑄錠，再經尾段去除和切片等后續工序最終作為太陽能級多晶硅片材使用。相比于連續性電子束，強流脈沖電子束(HCPEB)是近年來迅速發展起來的一種新型荷電粒子束技術，同樣以加速電子為能量載體，所不同的是它以短脈沖(微秒量級)和高能量密度(兆瓦級)作用于輻照材料表面，使其表層(10_5_10_6 m)快速加熱(IO9 K/s)和冷卻(IO7-1O8 K/m)。在這樣的急熱驟冷過程中，材料表面上的污染和雜質元素可以迅速得到汽化去除，這與連續電子束熔煉過程中的元素蒸發相類似，但所能達到的加熱溫度更高，蒸發數量和反應過程更為迅速。另需強調指出的是，使用強流脈沖電子束輻照處理時，材料表層中產生劇烈的熱力耦合作用，尤其是在雜質元素富集的晶體缺陷處(晶界、偏析、夾雜和第二相顆粒等)產生熱力集中，這些位置的溫度上升速度更快并首先熔化，甚至汽化，在表層應力的耦合作用下會產生熔體噴發過程，而所噴發的熔體中正富集有雜質元素。利用單脈沖處理過程中的蒸發與噴發去除雜質作用，以及多脈沖的能量疊加控制，可以有效去除輻照材料表層中的雜質元素，最終獲得成分純凈、結構細化的表層均質材料。基于以上問題的綜合考慮，本專利技術中提出一種利用強流脈沖電子束輻照處理硅材料，通過瞬時高能量注入引發表面蒸發和表層噴發過程，去除硅材料表層雜質，獲得具有一定厚度且符合太陽能電池制造使用要求的表層高純多晶硅材料的方法。
技術實現思路
本專利技術旨在提供一種利用強流脈沖電子束輻照處理硅材料，發揮表面蒸發去除雜質和熔體噴發去除深層雜質的雙重效果，獲得符合太陽能電池制造使用要求的表層高純多晶硅材料的方法。該方法可對不經任何提純預處理的冶金多晶硅原料、其他提純工藝生產的中間硅材料，以及生產使用中表面出現污染和服役性能下降的回收成品硅材料進行表面提純處理，具有操作簡單、投資低、能耗低和無污染等優點。為了實現上述目的，本專利技術采取的具體技術方案是:，具體步驟如下:(I)對預提純硅材料表面進行清理，去除附著物、氧化皮和油污污染等，然后烘干;(2)將烘干后的硅材料放入強流脈沖電子束裝置的真空室中，抽真空到工作值·3.0 X IO-3 Pa，根據需要利用氣體質量流量計控制輸入氧氣、氮氣、氫氣或氬氣等工作氣體，使真空度達到1.0X10_2Pa;(3)根據硅材料原始純度和表面提純厚度要求，設定載物臺位置，選擇強流脈沖電子束能量密度f20J/cm2，脈沖寬度f 50 μ S，對硅材料表面進行脈沖輻照處理，脈沖處理次數不大于30。處理完畢，關閉工作氣體和真空抽氣系統，打開真空室，取出處理材料。本專利技術技術具有以下效益:1.強流脈沖電子束輻照處理硅材料，可發揮表面蒸發去除雜質和熔體噴發去除深層雜質的雙重效果，獲得表層質地純凈的高純硅材料，滿足太陽能級硅的使用要求。2.強流脈沖電子束輻照去除硅材料表面雜質的方法，對所處理的原始材料無特殊要求，可以是冶金多晶硅原料、其他提純工藝的中間硅材料，以及表面污染和回收成品硅材料等，可作為其他硅材料提純方法的有益補充。3.強流脈沖電子束輻照處理在高真空度下完成，處理環境潔凈，對處理材料無元素污染，同時沒有環境排放問題。4.利用強流脈沖電子束輻照去除硅材料表面雜質的方法工藝簡單、提純效率高、節約能源和成本低，可實現自動化生產。5.本專利技術為去除硅材料表面雜質提供了一種新的方法，可實現環境效益、社會效益和經濟效益三者統一，具有潛在的工業應用前景。附圖說明圖1為強流脈沖電子束輻照真空電弧爐冶煉制備硅材料(純度5Ν)的表面金相顯微鏡形貌，加速電壓27kV，能量密度6J/cm2，轟擊I次，噴發面密度0.64個/mm2。圖2為強流脈沖電子束輻照真空電弧爐冶煉制備硅材料(純度5N)的表面金相顯微鏡形貌，加速電壓27kV，能量密度6J/cm2，轟擊5次，噴發面密度0.25個/mm2。具體實施例以下將結合實施例對本專利技術技術方案作進一步詳述。采用HOPE-1強流脈沖電子束裝置輻照處理真空電弧爐冶煉制備硅材料(純度5N),去除娃材料的表面雜質。具體步驟如下:(I)去除真空電弧爐冶煉制備硅材料的表面附著物、氧化皮，在酒精溶液中進行超聲清洗20分鐘，去除表面油污，取出吹干后放入烘干箱中，設定溫度100°C，烘干30分鐘；(2)將烘干后的硅材料放入強流脈沖電子束裝置的真空室中，抽真空到工作值3.0X 10_3 Pa，利用氣體質量流量計控制輸入氬氣至真空度1.0X 10_2Pa ；(3)設定載物臺工作距離15cm，選擇強流脈沖電子束能量密度為6J/cm2，脈沖寬度為2.5 μ S，對硅材料表面進行輻 照處理。經過I次脈沖處理后，移動載物臺，本實驗所用的HOPE-1強流脈沖電子束裝置可設置8個輻照處理工位，分別對其他樣品表面進行2次、3次、4次和5次輻照處理；(4)關閉工作氣體和真空抽氣系統，打開真空室，取出強流脈沖電子束表面提純處理材料，檢試工藝效果。利用金相顯微鏡觀察強流脈沖電子束輻照處理的真空電弧爐冶煉制備硅材料表面顯微結構。如圖1所示，硅材料表面出現高溫蒸發和表層噴發后形成的典型形貌特征。對比不同脈沖次數的處理效果，發現硅材料表面的熔體噴發面密度由I次脈沖的0.64個/mm2下降為5次脈沖處理后的0.25個/mm2，如圖2所示。對應熔體噴發與雜質富集的擇優關系，表層中的雜質含量隨脈沖處理次數的增加得到有效去除，而且處理后的硅材料表面形貌光滑平整，可為后續的太陽能電池硅片加工直接應用。本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種去除硅材料表面雜質的方法，利用強流脈沖電子束輻照處理硅材料，發揮表面蒸發去除雜質和熔體噴發去除深層雜質的雙重作用，獲得符合太陽能電池制造使用要求的表層高純多晶硅材料；其特征包括步驟如下：（1）對預提純硅材料表面進行清理和烘干；（2）將烘干后的硅材料放入強流脈沖電子束裝置的真空室中，抽真空到3.0×10?3?Pa；通入工作氣體，真空度達到1.0×10?2Pa；（3）選擇強流脈沖電子束能量密度1~20J/cm2、脈沖寬度1~50μs，對硅材料表面進行脈沖輻照處理，脈沖處理次數不大于30。

【技術特征摘要】
1.一種去除硅材料表面雜質的方法，利用強流脈沖電子束輻照處理硅材料，發揮表面蒸發去除雜質和熔體噴發去除深層雜質的雙重作用，獲得符合太陽能電池制造使用要求的表層高純多晶硅材料；其特征包括步驟如下: (1)對預提純硅材料表面進行清理和烘干； (2)將烘干后的硅材料放入強流脈沖電子束裝置的真空室中，抽真...

【專利技術屬性】
技術研發人員：郝勝智，董闖，秦穎，
申請(專利權)人：大連理工大學，
類型：發明
國別省市：