太陽能級硅制備新技術研究進展

張丹　綦宗升　李軍　王爽　趙志川

摘 要：硅原料是決定太陽光發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要因素。為了提高太陽能電池產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，必須研究開發(fā)低成本的、不依賴于半導體硅的制造的太陽能電池級硅制造方法。近年來，制作太陽能電池用的多晶硅的新技術、新裝置、新設備的研究開發(fā)很盛行，而且有很多新的研究結(jié)果和技術革新。這也表明了世界多晶硅工業(yè)生產(chǎn)技術的正在不斷飛躍提升。

關鍵詞：太陽能級硅;制備;新技術

盡管現(xiàn)有的提純方法可以實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)，但是很難生產(chǎn)低成本的多晶硅。因此，它必須向兩個方向發(fā)展：一是在繼續(xù)保證和開發(fā)半導體級多晶硅，二是有必要研究和開發(fā)新技術以生產(chǎn)低成本的太陽能級多晶硅材料。近年來，在用于太陽能電池的新多晶硅技術，新設備和新技術的制備方面的研究與開發(fā)非常活躍，涌現(xiàn)了許多新的研究成果和技術，并取得了新的突破，這也標志著世界多晶硅工業(yè)的發(fā)展與多晶硅生產(chǎn)技術新飛躍即將到來。當前多晶硅的制備技術較多，筆者結(jié)合自身多年工作經(jīng)驗，總結(jié)為以下幾點：

（1）改進的西門子方法

在電子多晶硅生產(chǎn)工藝的基礎上，開發(fā)了新的多晶硅反應堆技術以實現(xiàn)低成本太陽能級硅的生產(chǎn)，這也是最有可能的低成本太陽能級硅生產(chǎn)技術之一。目前，日本、德國、美國和其他國家正在對該技術進行研發(fā)。

（2）硅烷熱分解法

硅烷是又稱甲硅烷。硅烷的熱分解過程包括硅烷的制備、純化和熱分解。后來，美國MEMC Pasadena公司使用高純度硅烷氣體作為原料來生產(chǎn)粒狀多晶硅。在硅烷的制造工序中，采用了以四氟化硅為原料的非氯化工序。此過程可以保護產(chǎn)品免受四氯化硅的污染。

（3）由冶金級硅直接提純制備太陽能級硅

通過冶金級硅可以實現(xiàn)對太陽能級硅的直接提取，日本川崎鋼鐵有限公司進行了技術的實驗，將冶金級硅作為提煉太陽能級硅的原料，實驗分為了兩大步驟。第一步驟，需要將冶金級硅中的其他金屬雜質(zhì)以及磷去除，通過運用真空蒸餾與定向冷凝技術，可以達到雜質(zhì)去除的目的。第二步驟，主要是，通過在等離子體熔化爐中的氧化氣氛除去硼和碳。利用定向冷凝使硅凝結(jié)，并在這個過程中將所含的其他金屬雜質(zhì)去除，使其中所存雜質(zhì)的濃度符合太陽能級硅規(guī)定的要求。川崎鋼鐵有限公司所生產(chǎn)的太陽能級硅為p?極性，維持0.5—1.5cm的電阻系數(shù)。在該實驗中，存在一些問題，根據(jù)日本森調(diào)一樹的研究發(fā)展，將鈣添加到實驗步驟中，可以極大促進硅中雜質(zhì)金屬的去除，尤其是鐵鈦金屬雜質(zhì)。實驗表明了通過此種方法可以提煉太陽能級硅。另外，還有一些學者利用濕法精制方法提煉太陽能級硅，這項研究挪威與德國率先進行了研究。實驗主要是將冶金級硅合金化物進行固化處理，然后在通過酸洗，將硅中一些雜志去除，通過精煉進一步提純，最后得到符合標準的太陽能級硅。學者將提煉到的太陽能級硅運用到太陽能電池中，其使用效率最高近15%，并進一步研究了材料中電阻與電池效率的關系。

除此之外，Heliotronic / Wacker公司也對冶金級硅提煉太陽能級硅做了相關的實驗研究，首次使用酸浸法對硅金屬中的雜質(zhì)進行去除，去除雜質(zhì)后在對硅進行固化處理處理。Bayer AG也首先使用酸擴散法，在反應性氣體（氫氣、水蒸氣四氯化硅）中熔化以去除一些雜質(zhì)。最后，使用真空和定向凝圖除去雜質(zhì)。Elkem的方法是壓碎硅金屬，然后將其放入酸浸中。在添加高純度金屬之后，使用定向凝圖來處理硅中的雜質(zhì)。

（4）真空冶金制備太陽能級硅的新技術

該技術利用了冶金級硅中的雜質(zhì)分布特點，采用真空冶金技術，組合真空干燥、真空精制、真空蒸餾真空脫氣、真空定向凝固等新技術連接并準備太陽能級硅，目前硅產(chǎn)品的純度99.99%以上，已申請國家專利。與東京大學的深度合作統(tǒng)一研究，以期在現(xiàn)有技術的基礎上進行優(yōu)化以滿足太陽能級硅產(chǎn)品的要求促進這項技術的產(chǎn)業(yè)化。

（5）從廢舊石英光纖中提取高純

太陽能級硅石英光纖主要由高純度二氧化硅玻璃組成。通過通訊科技的發(fā)展，光纖增長非常快。2001年，日本光纖需求量為29 800萬公里，其中包含二氧化硅為810噸，相當于包含370噸硅。而光纖的壽命一-般為20年。光纖的生產(chǎn)過程中還存在大量的次品。從另一個角度來講，當前使用過的光纖和生產(chǎn)過程中的次品將成為一種具有危險性的廢品，如果沒有經(jīng)過專業(yè)的處理，將會導致高純度二氧化硅資源和潛在的高能量的浪費，同時造成了對環(huán)境的破壞。利用廢舊光纖和次品光纖制備太陽能級硅新技術，一方面解決光纖帶來的環(huán)境問題，此工藝符合清潔生產(chǎn)和循環(huán)經(jīng)濟要求;另-方面此工藝為解決目前太陽能級硅嚴重短缺找到了一個很好的思路。

結(jié)語

太陽能發(fā)電是最環(huán)保、最清潔，同時安全系數(shù)高，供電量大。硅原料是太陽能發(fā)電的最主要原料，制硅技術的提高可以促進太陽能發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。筆者結(jié)合自身多年工作經(jīng)驗，對太陽能級硅制備新技術進行了研究，希望能夠引起國家對制硅技術的重視，提高國家太陽能級硅制備技術。

參考文獻

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