试论太阳能多晶硅的制备生产工艺

2018年07
月
试论太阳能多晶硅的制备生产工艺
刘建华(亚洲硅业(青海)有限公司，青海西宁810000)
摘要：石英矿石和硅石矿石是组成太阳能多晶硅的主要
物质。

首先对这基础物质进行加工，提炼成金属硅，然后再进行物质的再提炼，最后形成了太阳能多晶硅。

太阳能多晶硅是太阳能电池的重要组成物质，因此，该物质的应用价值巨大，本文主要分析了太阳能多晶硅的制备和生产工艺，并形成了综合性的叙述。

关键词:太阳能多硅晶;制备;生产工艺随着全球性能源骤降的压力下，全球面临这新的一轮经济能源的危机，再生能源已经成为重要的能源之一。

太阳能作为重要的可再生能源，太阳能产业已经逐渐开始得到重视，太阳能多晶硅的制备和生产过程也逐渐明晰化和规范化，生产技术绿色发展成为了现实，本文重点论述了太阳能多晶硅的制备和生产工艺，将太阳能产业向着朝阳产业发展。

1太阳能多晶硅的制备和生产工艺
1.1多晶硅的技术特征
金属硅是在高温作业的条件下，经过化学还原，并利用石英硅和碳反应形成得到的，该物质的主要化学成分是二氧化硅。

该过程需要碳才能将二氧化硅中分解硅晶体，其主要起到的是催化效用。

石英矿石和碳的还原反应中，还原比例遵循着3:1的比例。

多晶硅有着以下的技术特征。

第一，生产工艺的方式多样化，多种方式同是存在，国际上还未总结出一个较好的多晶硅生产工艺，常见并存的生产工艺有西门子法、硅焕法以及硫化床法。

但是，西门子法是主要的多晶硅生产方法。

第二，全球逐渐关注了低成本的多晶硅生产工艺，主要是针对传统的生产工艺进行改良，并弥补生产工艺的不足。

1.2传统的太阳能多晶硅的生产工艺
1.2.1西门子法
西门子法下的多晶硅的提炼纯度较高，且提炼出的多晶硅比较适合太阳能多晶硅的生产要求，该门生产技术较为生产企业所接受。

西门子法的太阳能多晶硅生产主要有以下的两个步骤形成。

第一，形成三氯氢硅。

利用的是金属硅和氯化氢两种化学物质，并在流态的还原炉中进行反应。

首先，必须达到三氯氢硅的沸点，才能隔绝其他杂质，用蒸馏的方式提炼纯度较高的多晶硅。

考虑到三氯氢硅不稳定的化学性质，容易挥发和水解，因此蒸馏的过程最好避免水汽和空气进入。

而小规模的生产方式可以避免大重金属混入。

第二，三氯氢硅的还原。

还原是利用气相沉积方法来实现。

通过之前的蒸馏后，提炼的三氯氢硅的纯度较高，如果再进行下一步的还原，则能得到高质量、高纯度的多晶硅材料。

该还原过程较为复杂，企业采用此方法可以反复循环利用还原气体，减少资源的损耗。

还能得益于封闭循环的生产还原系统，降低了材料耗用成本，产出率高，工艺性能较强。

1.2.2硅焕法
硅焕是一种特殊的物质，在持续的高温下，达到400度的高温能够被分解形成氢和硅。

这个过程中，需要不断地观察分解的物质，在特定的条件下，对硅焕进行分解，达到380度的高温条件，硅才能完全分解。

硅焕分解的办法也是一个连续的反应过程，需要分为四个步骤才能进行。

第一是氢化过程，第二才能四氟化硅的生成过程，第三是硅焕的省城过程，第四才是多晶硅的生成。

硅焕法下，生成的多晶硅需要的还原温度比西门子法更高，而反应温度较低，因此，产生的粒状的多晶硅数量较
少，该方法下主要的耗用是电成本，然而对比西门子法而言，电
量的成本远远更低。

1.2.3流化床法
该方法的主要物质是，四氯化硅，氢气、氯化氢、工业硅等。

主要运用的反应条件是流化床，在流化床经过沸腾高压的条件下进行，并生成了三氯氢硅，再次将三氯氢硅生成二氯二氢硅。

经过了强两次的反应，再此得到了硅焕气。

该物质是气态的物质，需要加入分解物质小颗粒硅粉，才能形成多晶硅的晶体。

整个过程都是在流化床内进行，反应的硅体表面积较大，尤其在大规模的太阳能多晶硅的生产具有明显的高效率。

但是，流化床有着以下的不足：提炼的多晶硅纯度不高，且提炼反应过程得不到安全性的保证。

1.3高纯度的太阳能多硅晶生产工艺
1.3.1冶金法
冶金法是新型的生产工艺的方法，主要得益于NEDO 技术，对开发的工业硅进行提炼。

冶金法下的提炼硅晶体主要是按照顺序法的步骤下进行的。

经过了几道的工序后，才能将工业硅的里富含的金属杂质剥离，并经过高温、熔盐、碳热等步骤，达到了提炼纯度的太阳能多晶硅。

常见的有两个阶段，第一阶段是在电磁炉中进行，并初步去除小颗粒的金属杂质，运用的是凝固法。

第二阶段是在等离子体炉中进行。

首先是在氧化条件下，对大颗粒的金属杂质进行分解，并运用凝固的办法剥离并除掉多晶硅。

其次才是利用冶金法对工业硅进行提炼，两个步骤之后才能形成太阳能多晶硅。

1.3.2高纯碳热还原法
碳热还原的方法是最近几年逐渐发展起来的方法，在制备和生产太阳能多晶硅上具有独特的优越性。

然而，该方法是新型方法，使用的程度不高，普及性不广，推广的程度不强。

首先，是利用高纯度的碳对其进行进行还原，并生成高纯度的二氧化硅，其次，对二氧化硅进行碳硅分离，达到脱离碳的效果。

该办法下，由于还原需要进行脱碳，所以对硅石和碳的物质纯度都有较高的要求。

纯度越高，脱碳的效果就越好，所以整个过程都要控制好物质所含的杂质元素的数量级，并加以辅助凝固剂，加强还原的纯度。

1.3.3固态电迁徙
固态的电迁徙主要是提炼纯度高的金属材料，运用在多晶硅的生产上，具有意外的优势。

该固态电迁徙的提炼技术原理并不复杂，主要是利用电流原理，在电场中加入金属材料，影响电流的方向，并影响着微小质量粒子的迁徙。

主要的迁徙有三方面：其一，纯金属的自动流动影响了整体的自迁徙，其二，纯金属合金富含的置换杂质向着不同方向分离并迁徙，其三，间隙溶质也发生了方向性的迁徙。

三个方面的迁徙把微量的杂质元素去除，并达到了预期初始的纯度。

总之太阳能多硅晶的生产工艺多元化，针对生产企业的环境条件，选择更适宜的备制和生产工艺，才能提炼出高纯度的太阳能多硅晶。

参考文献：
[1]李红波.太阳能光伏技术及产业发展[J]．上海电力，
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[2]梁俊吾.光伏产业面临多硅晶瓶颈及对策[J]．科学导报，2016，（11）．
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