本發明專利技術涉及一種通過鈉還原四氟化硅法制備太陽能級多晶硅的裝置和方法。該裝置包括上下兩室，上室為反應室，兩室由通道相連接；上室內置石墨反應坩堝，石墨坩堝外圍設有加熱元件；石墨坩堝內底部呈倒錐形，中心開孔供液體物料墜入下室；該孔上覆蓋一石墨雙錐臺，其上表面用于進行反應并阻擋液態鈉直接墜入下室，該雙錐臺下錐的錐度與坩堝底部坡度相吻合，在該下錐的錐面上設有卸料通道，供液體物料匯流到石墨坩堝底部中心孔后墜入至下室的接收容器中。本發明專利技術利用氟化鈉和硅的熔點差高效低成本地制得合格的太陽能級多晶硅，可以實現半連續的大規模工業生產。
【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬新能源材料領域，特別是太陽能電池原料制備領域，具體涉及通過鈉還原四氟化硅制備太陽能級多晶硅的半連續生產裝置及方法。
技術介紹
能源是人類社會經濟發展的物質基礎。煤、石油、天然氣等化石能源是目前的主要能源。但化石能源資源有限，且使用化石能源會產生大量二氧化碳，造成溫室效應，嚴重威脅地球環境。開發利用可再生能源已成為人類迫切需要解決的問題。中國缺油少氣，以煤為主的能源結構，已使中國成為溫室氣體排放量最大的國家，并對我國經濟、社會的可持續發展構成了挑戰，因此開發利用綠色可再生能源對我國尤為迫切。利用太陽能是人類解決能源短缺和環境污染問題的重要途徑之一。將太陽光轉化成電能的太陽能電池將成為未來綠色能源的重要組成部分。太陽能電池有多種，而以晶體硅(單晶或多晶)為主要原料的太陽能電池將在相當長時期內占主導地位。多晶硅原料生產是制備晶體硅太陽能電池整個生產鏈的第一步，它的成本在較大程度上決定了太陽能電池的成本。目前國內外太陽能多晶硅的生產方法主要是改良西門子法，占到市場份額近90%。它是為了生產半導體芯片經幾十年發展起來的比較成熟的技術，近年用于大量生產太陽能電池所需的硅原料。它采用金屬硅與氯化氫(HCl)反應生成三氯氫硅(SiHCl3),然后通過精餾分離去除雜質，得到硼、磷及金屬雜質含量極低的高純三氯氫硅。高純三氯氫硅與氫氣在通電加熱到約1100°C的細硅棒上進行還原反應，生成的硅氣相沉積使硅棒逐漸長大變粗。由于氣體容易提純，所以改良西門子法的主要優點是產品純度高(可以高達9N-12N，遠遠高于太陽能級多晶硅的要求)。但生產設備復雜，且最大的缺點是受熱力學平衡的限制，三氯氫硅原料的單程 轉化率很低只有14-18%，產生大量尾氣成份復雜(含SiCl4, SiHCl3,SiH2Cl2, HCIjH2等)，需再經分離、純化、轉化回收利用。因而該方法能耗高、生產成本高、環保問題難度大、投資門檻高。為了克服改良西門子法生產多晶硅這些缺點，人們一直致力于研發新方法大規模生產高純多晶硅，如硅烷熱分解法、物理冶金法和鈉還原四氟化硅法等等。硅烷熱分解法是先用液鈉和鋁及氫氣反應得氫化鋁鈉，再用氫化鋁鈉和四氟化硅反應得娃燒，或用其它方法制得的娃燒，再精懼提純得聞純娃燒。聞純娃燒在約800°C熱分解產生高純多晶硅。硅烷法分解溫度比西門子法氫還原溫度略低，單程硅收率高，但硅烷及其他原料制備過程復雜，且存在易爆炸生產安全問題，生產綜合成本比改良西門子法高。物理冶金法選雜質含量相對較低的工業粗硅作原料，經造渣和吹氧除雜質、粉碎酸洗除雜質、通氣反應和真空熔煉脫氣除雜質、定向凝固除雜質和高能粒子束除雜質等一系列手段制取高純多晶硅。由于關鍵性雜質硼和磷不易通過上述手段從粗硅中除去，因而物理冶金法所得多晶硅純度通常達不到高效太陽能電池對原料的要求。鈉還原四氟化娃法用高純四氟化娃和金屬鈉反應生成高純多晶娃和氟化鈉:SiF4+4Na — Si+4NaF此反應熱力學極有利，反應轉化率接近100%。反應的原料金屬鈉可由食鹽電解得至|J，價格不貴。SiF4是由價格便宜來源充足的磷肥廠副產品氟硅酸鈉加熱分解得到:Na2SiF6 — SiF4+2NaF氟硅酸鈉熱分解時其雜質大多留在固相氟化鈉中，所得SiF4氣體很易提純到關鍵有害雜質硼和磷等到0.1ppm以下。此工藝路線最早是由美國斯坦福研究院(SRIInternational)研發，1984-1988 年申報過多篇美國專利(US Patent4442082,4584181, 4590043，4597948，4642228，4748014, 4753783，4781565 等)。SRI 曾報導用該方法生產出的多晶硅可制得合格的太陽能電池，但只是小規模試驗。SRI專利中的反應裝置采用碳化硅作外殼。由于碳化硅很硬且無法燒結，加工制造大型反應器幾乎不可能。另外SRI專利中采用石墨活塞開關控制硅料流出反應坩堝，但石墨活塞不耐用，在高溫下很難操作無法保證工藝的穩定連續。SRI專利發表至今仍未見有產業化成功的報導。鈉還原四氟化硅法制太陽能級多晶硅反應轉化率接近100%，比改良西門子法和硅烷法反應效率高，比物理冶金法制得的多晶硅純度要高，但SRI專利設計的鈉還原四氟化硅反應裝置用在工業化生產中很難實現，本專利技術目的在于提供一種合適的裝置及其使用方法，可用于鈉還原四氟化硅制備太陽能級多晶硅。
技術實現思路
本專利技術目的是提供一種通過鈉還原四氟化硅制太陽能級多晶硅的半連續生產的裝置及生產方法，可進行工業化生產，高效低成本地制得合格的太陽能級多晶硅。本專利技術公開了一種通過鈉還原四氟化硅生產多晶硅的半連續生產裝置及其操作使用方式。裝置示意見 圖1。其特征是裝置分上下兩室。上室2為反應室，下室8是產物接收室和轉移室，上下兩室間有一連接通道17。上下室及連接通道外殼都帶有通冷卻水的不銹鋼水夾套，用于散熱。上室2內放有高純石墨坩堝5作為鈉還原四氟化硅的反應器。石墨坩堝5外壁包裹保溫氈4，外圍有內通冷卻水的中頻電磁感應銅線圈3，通過電感加熱可使石墨坩堝反應器及其中的物料控制在適當的溫度(圖1中石墨坩堝底部和側面設有測溫管T)。高純四氟化硅氣體由儲罐供應，由不銹鋼管線引入整個反應裝置，裝置內四氟化硅氣體壓力保持微正壓(絕壓0.102MPa至0.120MPa之間)。高純金屬鈉由液鈉儲罐供應，鈉儲罐和輸鈉管線外圍均帶有導熱油夾套，用導熱油控制金屬鈉溫度在熔點(98°C )至140°C之間。液體鈉經過保溫的不銹鋼調節閥門I進入不銹鋼加鈉裝置18，由其底部出口滴加到石墨坩堝5中。石墨坩堝5底部呈倒錐形，中心開有一小孔供融熔氟化鈉或融熔硅墜入下室的接收容器中。緊貼石墨坩堝5錐形內底放有一個雙錐臺(雙錐兩頭削平)形的石墨塊6(詳見圖2)，該石墨雙錐臺6朝上的面用于進行反應并阻擋滴加的液鈉通過坩堝底部中心小孔直接墜入到下室8，液鈉只滴到錐臺上面和四氟化硅反應。石墨雙錐臺6朝下的錐面錐度與坩堝5底部坡度吻合，在該下錐面由中心成放射狀開有若干個溝槽19 (見圖2)，和坩堝底形成若干個有一定傾角的細長通道。反應石墨坩堝5由泡沫石墨圓筒7支撐，泡沫石墨支撐7底部有一石墨圓筒17通到下室8，氟化鈉或硅液體下滴通過石墨圓筒17的中心但不與石墨圓筒17壁接觸，石墨圓筒17外包石墨保溫氈16以減少熱散失。下室8分隔成1#、2#和3#三個小室，三小室間有兩個隔離門閥13和14，門閥開或關時小室間連通或隔離。中間(2#)接收室正對上室2，其內置一個方形組裝式石墨容器11用于接收氟化鈉和一個高純石英坩堝10用于接收硅。1#間內置一套備用的氟化鈉和硅的接收容器，3#間空著，待盛滿物料的接收容器移入。兩套接收容器(10和11)均放置于移動小車12之上，可根據工藝需求在接收室之間移動。1#和3#間側面分別有一密封的大門9和15供取出和放入接收容器。需說明的是，上面所述的將下室設計成三小室的形式，其目的是為了實現半連續生產(如下文所述)，但本專利技術不以此為限制，在具體實施時，也可以采用其它下室的形式，如僅含一室的下室，此時是非連續的，但也可實現多晶硅的生產。投料反應時，通過調節電感線圈3的功率控制上室2中石墨坩堝反應器5內溫度在硅熔點(1410°C )之下氟化鈉熔點(993°C本文檔來自技高網...
【技術保護點】
一種通過鈉還原四氟化硅制備太陽能級多晶硅的裝置，其特征在于，包括上下兩室，上室為反應室，設有反應物入口和產物出口，下室設有產物接收容器，兩室由通道相連接；上室內置石墨坩堝，作為鈉還原四氟化硅的反應器，石墨坩堝外圍設有加熱元件；石墨坩堝內底部呈倒錐形，中心開孔供液體物料墜入下室；該孔上覆蓋一石墨雙錐臺，其上表面用于進行反應并阻擋液態鈉直接墜入下室，該雙錐臺下錐的錐度與坩堝底部坡度相吻合，在該下錐的錐面上設有卸料通道，供液體物料匯流到石墨坩堝底部中心孔后墜入至下室的接收容器中。
【技術特征摘要】
【專利技術屬性】
技術研發人員：謝曉兵，谷奎慶，張斌，徐大闖，謝有暢，
申請(專利權)人：北京博大格林高科技有限公司，北京大學，
類型：發明
國別省市：
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