冶金方法在太阳能级多晶硅制造中的应用
物理冶金法制备太阳能级多晶硅技术展望
物理冶金法制备太阳能级多晶硅技术展望摘要：分析了国内外太阳能级多晶硅的制备技术，介绍了物理冶金法制备太阳能级多晶硅的技术工艺，指出今后物理冶金法制备太阳能级多晶硅技术的研究方向和冶金法制备太阳能级多晶硅亟需解决的问题，以及未来硅材料的发展趋势。
关键词：太阳能级多晶硅；制备技术；发展趋势中图分类号：o59 文献标识码：a 文章编号：1009-0118（2011）-10-0-01一、引言多晶硅是太阳能光伏产业最主要、最基础的功能性材料。
太阳能光伏电池包括单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池、非晶硅太阳能电池、化合物半导体太阳能电池[1-2]，其中多晶硅太阳能电池占太阳能电池市场份额的55%以上[3]。
随着绿色能源战略的实施，我国在光伏研究和产业方面取得了较快发展，太阳能级多晶硅市场需求得以继续保持旺盛的势头，预计在未来数年内，多晶硅的需求将持续以40%左右的速度增长[4]。
当前我国太阳能级多晶硅生产技术研发能力低，多为中低档产品，企业分散,生产规模小，国内自给率低。
针对目前我国太阳能级多晶硅发展现状，必须加快太阳能级多晶硅生产技术的自主创新，不断探索低成本生产太阳能级多晶硅的方法，改变我国多晶硅产业受制于国际市场的状况，提高我国生产多晶硅市场竞争力，否则将危及我国光伏产业的发展。
本文将对国内物理冶金法制备制备太阳能级多晶硅技术情况进行综述。
二、国内外多晶硅生产的主要技术（一）改良西门子法——闭环式三氯氢硅氢还原法：1955年，西门子公司成功开发了利用h2还原sihcl3在硅芯发热体上沉积硅的工艺技术，并于1957年开始了工业规模的生产，这就是通常所说的西门子法。
（二）硅烷法——硅烷热分解法：1956年，英国标准电讯实验所成功研发出了硅烷（sih4）热分解制备多晶硅的方法，即通常所说的硅烷法。
1959年，日本的石冢研究所也同样成功地开发出了该方法。
后来，美国联合碳化物公司采用歧化法制备sih4，并综合上述工艺且加以改进，便诞生了生产多晶硅的新硅烷法。
冶金三步生产太阳能多晶硅彭达课件
熔炼提纯是多晶硅生产中的重要环节，通过高温熔炼将原料中的硅元素提取出来。同时，在熔炼过程中进行精炼 处理，进一步去除杂质和提高硅元素的纯度。熔炼和精炼的温度和时间需精确控制，以保证产品质量。
铸锭和开坯技术
总结词
详细描述
轧制和退火技术
要点一
总结词
轧制可改变材料性能，退火可消除内应力，均需精确控制。
进行应急演练
定期进行应急演练，提高员工应对突发事件的能力和自救互救能 力。
及时报告和处理事故
一旦发生事故，应及时报告并启动应急预案，采取有效措施控制 事态发展，减少人员伤亡和财产损失。
06
冶金三步生产太阳能多晶硅的应用与发展 趋势
应用领域与实例
应用领域
实例
技术发展趋势
技术进步 新技术应用
市场发展趋势
冶金三步生产太阳能 多晶硅彭达课件
目 录
• 冶金三步生产太阳能多晶硅概述 • 冶金三步生产太阳能多晶硅的工艺流程 • 冶金三步生产太阳能多晶硅的技术要求 • 冶金三步生产太阳能多晶硅的设备与工具 • 冶金三步生产太阳能多晶硅的环保与安全要求 • 冶金三步生产太阳能多晶硅的应用与发展趋势
contents
铸锭
热处理
将提纯后的硅熔体倒入铸锭模具中， 冷却凝固后形成硅锭。
对硅块进行热处理，消除内应力，提 高机械性能。
开坯
将硅锭切割成一定大小的硅块，以便 后续加工。
轧制和退火
轧制
退火 清洗和分选
产品检测与包装
检测
包装
采用适当的包装材料和方法，对合格 品进行包装，便于运输和储存。
03
冶金三步生产太阳能多晶硅的技术要求
市场增长
竞争格局
工业硅生产和冶金法太阳能级多晶硅的制取
工业硅生产与冶金法太阳能级多晶硅的制取在今天的文章中，我们将深入探讨工业硅的生产过程以及如何通过冶金法来制取太阳能级多晶硅。
这两个主题在能源和材料科学领域中都占据着至关重要的地位。
让我们一起来了解这两个复杂而又引人入胜的领域。
一、工业硅的生产工业硅，也被称为金属硅，是一种在工业上广泛应用的非铁合金。
它的生产过程主要包括以下步骤：硅石熔炼：硅石，一种含硅量高达99%的矿石，是工业硅生产的主要原料。
在熔炼过程中，硅石与碳质还原剂混合并加热至高温，生成的碳化硅在炉内进行反应，产生工业硅和一氧化碳。
粗硅提纯：产生的工业硅中含有大量的杂质，如铁、铝、钙等。
通过与氯化物反应生成挥发性氯化物，再经过蒸馏和冷凝，可以去除大部分的杂质，得到纯度较高的粗硅。
精炼：最后一步是精炼过程，通过在真空中蒸馏粗硅，进一步去除剩余的杂质，得到高纯度的工业硅。
二、冶金法太阳能级多晶硅的制取冶金法是一种制取太阳能级多晶硅的重要方法。
其基本原理是利用物理分离方法，将工业硅中的杂质有效地去除，同时保留其良好的半导体特性。
以下是其主要步骤：定向凝固：首先将工业硅加热至熔融状态，然后缓慢冷却至凝固点，并控制凝固方向，以形成多晶硅锭。
杂质分离：通过特殊的热处理过程，使杂质与多晶硅分离，并聚集在锭的表面，形成一层杂质层。
晶粒定向生长：在特定的热处理条件下，多晶硅锭内部的晶粒会按照一定的方向生长，形成多晶硅锭的大晶粒结构。
切割和研磨：将多晶硅锭切割成小块，并进行研磨处理，以得到表面平整、晶粒分布均匀的太阳能级多晶硅。
质量检测：最后进行严格的质量检测，以确保产品的各项性能指标符合要求。
结论：工业硅的生产和冶金法制备太阳能级多晶硅是能源和材料科学的重要领域。
通过了解这两个过程，我们可以更好地理解这些关键材料的制取过程和背后的科学原理。
随着科技的不断发展，我们期待着这些技术在未来能够实现更高的效率和更低的成本。
冶金法太阳能级多晶硅提纯技术现状与质量分析-精品文档
Impurities and Solar efficiency 杂质对光电转换效率的影响
Demand of New Technology 新工艺的需求
• Because impurities must added to high pure poly-silicon from Siemens method, which means energy double waste采用西门子法得出高纯度的硅后，又要掺杂到6N的 纯度，意味着能源的双重浪费 • That’s why the technology of purifying silicon directly to 6N is being explored all the time 直接生产6N太阳能多晶 硅的工艺开始被人们所探索。 • Metallurgical Routine to purify the poly silicon is the most promising routine 冶金法是被人探索最多，也是目前最被人看好的工艺。
Technology for Poly-Crystallin Silicon Production 多晶硅提纯技术分类
• Chemical Routine 化学法 – Chemical changes happen to Si
process提纯过程中硅发生反应
in purification
• Physical Routine（Metallurgical Routine )
– Mainstream Routine at present 目前的主流工艺 – Regular Purity is 9N 常规纯度应可达到9N
多晶硅纯度的表示
• Substract the content of P,B,and Metals from 100% 用100%扣除磷、硼、金属杂质后的硅的纯度 • C,O,N is about 1~10ppm（无需扣除） 含有大约1~10ppm级的碳、氧、氮等元素
太阳能级多晶硅冶金法制备技术
太阳能级多晶硅冶金法制备技术引言太阳能是目前全球关注和研究的热点领域之一。
太阳能电池作为太阳能利用的核心设备，其材料的制备技术对太阳能电池的转换效率起着至关重要的作用。
其中，多晶硅作为太阳能电池的主要材料之一，在光电转换效率、稳定性和成本方面都具备优势。
本文将对太阳能级多晶硅的冶金法制备技术进行全面、详细、完整且深入地探讨。
二级标题1：太阳能级多晶硅冶金法的背景在过去几十年中，太阳能技术有了长足的发展，太阳能电池的制备技术也取得了长足的进步。
多晶硅作为太阳能电池最常用的材料之一，其制备技术一直是研究的热点。
三级标题1：多晶硅的特性与应用多晶硅具有良好的光电转换效率和稳定性，同时也具备成本低廉的优势，因此被广泛应用于太阳能电池领域。
其晶体结构呈现多晶形态，晶内晶界的存在对其光电性能有一定影响。
三级标题2：太阳能级多晶硅冶金法的意义太阳能级多晶硅的制备技术对太阳能电池的电能转换效率和稳定性有着直接的影响。
通过优化太阳能级多晶硅的冶金法制备技术，可以提高太阳能电池的光电转换效率，降低制造成本，促进太阳能的大规模应用。
二级标题2：太阳能级多晶硅冶金法制备技术的研究进展太阳能级多晶硅冶金法制备技术是当前太阳能电池研究的重要方向之一，并且取得了一定的研究进展。
三级标题1：传统多晶硅制备技术传统的多晶硅制备技术主要包括气相法、液相法和固相法。
这些技术在制备过程中存在一些缺陷，如能耗高、成本高、污染严重等问题。
三级标题2：现代多晶硅制备技术随着科技的发展，现代多晶硅制备技术不断涌现。
例如，改进的气相法、液相法和固相法，以及新兴的等离子体聚合法、阵列纳米线法等。
这些技术在提高多晶硅的制备效率、降低成本和环境友好方面具有潜力。
二级标题3：太阳能级多晶硅冶金法制备技术的发展趋势太阳能级多晶硅冶金法制备技术的发展趋势主要包括制备效率的提高、成本的降低和环境友好型制备技术的研究。
三级标题1：制备效率提高提高制备效率是目前研究的重点之一。
冶金法提纯太阳能级多晶硅的除P除B关键技术
国内外冶金法提纯太阳能级多晶硅的关键技术1、日本Kawasaki Steel 公司（日本新日铁）：以冶金级金属硅为原料，使用两段法进行提纯，第一阶段，在电磁炉中采用真空除P、定向凝固法初步除去金属杂质；第二阶段，在等离子体熔炼炉中，在氧化气氛下除B和C，熔化的硅再次定向凝固最后除去金属杂质。
在两步定向凝固过程中，金属杂质经过固/液分界面上直接偏析出来，材料纯度达到了太阳能级多晶硅的要求。
相关技术已经在国外公司使用。
2、德国Heliotronic/Wacker公司（德国瓦克）：首先采用酸浸，使得硅金属中的杂质进入溶液，随后对浸出后的渣滓进行熔化，最后进行定向凝固；3、德国Bayer AG 公司：采用酸浸，然后在反应性气体（氢气、水蒸气、四氯化硅）中熔化，以除去其中的部分杂质，最后采用真空和定向凝固的方法，以实现除杂效果。
4、挪威Elkem公司：主要是将金属硅破碎后酸浸，然后加入高纯金属，采用定向凝固等方法除去硅中的杂质。
提纯后的多晶硅中的主要杂质B、P均控制在1ppm以下，并实现工业化生产。
5、国内的冶金工艺技术该方法以冶金级硅为原料，结合湿法处理、等离子和电磁感应加热等手段，以真空氧化精炼、真空蒸馏精炼、真空脱气、真空凝固精炼等真空冶金过程为主，由冶金级硅直接制备太阳能级多晶硅。
所采用的技术路线如下：冶金级硅去除部分铁、铝、钙、钛等杂质太阳能级硅锭图1.真空综合法制备太阳能级硅工艺流程图与现有的多晶硅制备技术相比，该技术具有以下特点：（1）以真空冶金新技术为主体。
我国在有色金属真空冶金领域研究特色鲜明，研究水平达到国际先进水平，所开发的真空冶金新技术和配套设备都具有自主知识产权，为新工艺的研究已积累了较丰富的研究开发经验，具备了良好的研究条件；（2）投资少。
1000吨/年生产线预计需投资约1.5亿元；（3）设备简单、安全性好。
经预处理后的精炼过程都是在真空条件下完成，所需辅助系统少，安全性也较高；（4）电耗和生产成本低。
冶金法制备太阳能级多晶硅研究现状及发展趋势
冶金法制备太阳能级多晶硅研究现状及发展趋势谭毅;郭校亮;石爽;董伟;姜大川;李佳艳【摘要】Purification polycrystalline silicon by metallurgical method is the only way for our country to escape the dependency of silicon feedstock, and to develop low-cast and environmental friendly process for SOG-Si. Since its emergence, metallurgical method has undergone three research surges. The third development is under the leading and promotion of our country's research and industry workers, obtaining considerable useful scientific theory and practical experience. In this paper, from the definition of metallurgical method, the basic theories of metallurgical method, including saturated vapor pressure principle, segregation mechanism and differences in mechanism of oxidation, are analyzed in detail; moreover, technologies and their progress derived from the mechanisms are presented. At the end, the trend of metallurgical method is forecasted.%冶金法是我国走出硅原料依赖,发展低成本、环境友好的太阳能级多晶硅制备技术的必经之路,冶金法自诞生以来在世界范围内经历了三次研究高潮,第三次正是在以我国科研和产业工作者为主导和推动下发展的,并形成了大量有益的科学结论和实践经验.本文从冶金法的界定开始,详细分析了冶金法提纯的理论基础,饱和蒸汽压机理、偏析机理和氧化性差异机理,介绍了以上机理所衍生出的技术方法及进展,并对冶金法的发展前景进行了展望.【期刊名称】《材料工程》【年(卷),期】2013(000)003【总页数】7页(P90-96)【关键词】光伏产业;冶金法;提纯;太阳能级多晶硅【作者】谭毅;郭校亮;石爽;董伟;姜大川;李佳艳【作者单位】大连理工大学材料科学与工程学院,辽宁大连116024;大连理工大学辽宁省太阳能光伏系统重点实验室,辽宁大连116024【正文语种】中文【中图分类】TF89太阳能作为可再生能源，储量巨大、清洁无污染、来源稳定且不受地域限制，是解决未来能源紧缺的理想选择，已成为世界各国广泛研究和推广使用的重要能源。
冶金法太阳能级多晶硅产业技术进展与展望
国 内 的改 良西 门子 法 多 晶硅 生 产 过 程 中， 纯 度 为 ２ 将 Ｎ的 金 属 硅 提 纯 到
９ 能耗通常 为 ２ ０ Ｎ， ０ ｋＷ ｈ／ｋｇ； 将 再
一
、
２ １ 冶金法 太阳能级 多晶 ００
冶 金法 多 晶硅 提 纯 工 艺 又 叫物
多 晶 硅 生 产 工 艺 的 进 展 ， 至 不 少 公 甚
晶 硅有 ４ 好处 ： 资小 、 耗 低、 大 投 能 成 本 低、 污 染 。 无 以一 个投 资额 为 １ ｔ Ｔ
的 冶金法 多 晶硅 工 厂为例 ， 资总 额 投 不到 ２ 亿元 ， ０ 能耗仅 为 ４ ｋ ｈ ０ Ｗ ／ｋｇ ，
产。 １ 表 列出了２ ｌ￣国际国内各厂‘ ＯＯ 家冶 金法多晶硅的产能、 产量和平均纯度。 从表 １ 中可 以看 出，０ ０ ， 厂 ２ １年 各 都 基本 以千 吨级为 单位进行首 期产能 规划， 但实 际上产 量都 比较小 ， 充分说 明了冶金法 多晶硅生 产从实验 室到产 业 化步履维 艰。 然纯度提 高不多 ， 虽 但 各 厂都能够做 到产业化 多晶硅纯度 与 实 验室 水平 保 持不 变 ， 本身 就 已经 这 是一 个很大 的进 步 。 除 了多 晶硅 生 产商 之外 ， 不少 光 伏 电池生产商 也一直 十分 关注冶 金法
硅的技术与产业进展
理 法 多 晶硅 提 纯 ， 它之 所 以得名 ， 是 因为 硅在 整 个 提 纯 过程 中不 发 生化 学 反应 。 种方 法所使 用 的主要 工艺 这
精馏 提纯得 到 纯度较 高 的三氯 氢硅 ， 最后加入氢气 还原得到高纯硅 。 通常 ，
这种 方法 生产 的 多 晶硅纯 度可 达 ９ Ｎ （ ９ ．９ ９ ９ ％） 即 ９ ９ ９ ９ ９ 以上 。
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冶 金 方 法 在 太 阳 能 级 多 晶 硅 制 造 中 的 应 用
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关 键 词 ：冶 金 法 ；多 晶硅 ；太 阳能 中 图 分 类 号 ：Ｔ ０ Ｆ８ ３ 文 献 标 识 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：１７ ．６ ０ ２ １ ） １ｏ ２ ＿７ ６ １６２ （ ０ ２ ０ ＿ ５ｏ ０
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感 受 更 直接 ， 源 极 为 丰 富 ， 洁 可持 续 利 用 ， 来 清 容
１ 多 晶 硅 制 备 的 冶 金 方 法
纯粹 的冶金 法 生产多 晶硅 是指 以冶 金级 工业 硅 为原 料 ， 在不 改变 硅材料 物质 性质 的情 况下 ， 对 硅 进行 提纯 ， 金属 硅 的纯 度 达到 ４ Ｎ～６ Ｎ标 准 ， 以
易 获得 ， 倍受 人 们青 睐 ． 作为太 阳能转 换 电能 的基
础材 料 多 晶硅 ， 近年来 得 到 了迅猛 发展 ． 目前 全 世 界 ９ ％ 的太 阳能 电池 是 用 多 晶 硅 ５
生产 的 ； 晶硅作 为太 阳能 电池 的基本 原料 ， 多 是太
阳能 产业 发展 的瓶 颈 ； 阳能 电池 技 术 的 关键 是 太
Ｌ ｉｇ ｉ ｇ ， Ｚ ＮＧ Ｔ ｎ －ｎ ，Ｌ ｉ ｉｇ Ｉ ｎ －ａ ＨＡ ｉｇａ。 Ｉ Ｊ ｊｎ Ｒｕ－ ｎ ｂ
（ ． Ｎｏｔｅｓｒ ｉｅｓｙＥ ｇｎｅｉｇ＆ ＲｅｅｒｈＩｓｔｔ Ｃ ． ｔ．１０ １ ．Ｃｈｎ １ ｒ ａｔ ｎＵｎｖｒｔ ｎ ｉｅｒ ｈ ｅ ｉ ｎ ｓａｃ ｔｕｅ ｏ ，Ｌｄ ０ ３ ｎｉ １ ｉａ
随着 化石 性 能 源 消 耗殆 尽 ， 们越 来 越 重 视 人
新 能 源 的开发 利用 ， 阳能 、 能 、 汐能 、 聚变 太 风 潮 核
新 型多 晶硅 生产 工 艺 ， 冶金 方 法 生 产 太 阳能级 用 多 晶硅逐 渐 引起人 们 的高度 重视 … ．
能 源 等都 在引 起 人 们 的关 注 ． 以太 阳能 为人 们 而
李景 江 张廷 安 李瑞 冰 ， ，
（ ．东北大学 设计研究 院 ，沈 阳 １０ １ ； ．东北 大学 材料与冶金学 院，沈 阳 １０ １ ） １ １０ ３ ２ １８ ９
摘
法．
要 ：多 晶硅作 为太阳能转换电能的基础材料 ，近年来 受到广泛关注．本 文综 述了生产多晶硅的各种冶金
方法 ，主要分析各种 冶金 方法 的特点 、发展 趋势 和可行 性 ，并重 点讨论 了低成本 生产 太 阳能级 多晶硅 的方
材料 提纯 技术 ． 目前 全 世 界 范 围 内许 多 国 家 生产
适 合作 为太 阳能 电池 材 料 的要 求 ． 这种 方 法 最 重
要 特点 是生 产成 本低 ， 给环 境造成 的污染小 ， 作 操 简单 ， 大规 模生 产 ； 缺 点是达 到 的纯度 不高 ． 易 其 １ １ 还原 法 制造 高纯硅 ．
ｐｒ ｄｕ ｔｏ ｏｆｓ ｌｒ—ｇ ａ ｅ ｐｏｙ ｉｃ ｅ ｅ ｄｓ ｕ ｓ ｄ ｏ ｃ ｎ ｏ ａ ｉ ｒ ｄ ｌｓｌ ｏｎ ｗ ｒ ｉｃ ｓｅ ． ｉ
Ｋｅ ｏ ｄ ： ｔ ｌｒ ｃｌ ｔｏ ；ｐ ｌｓ ｃ ｎ ｏｙ ｒｓ ｌｎ ｌ ｏ ；ｓｌ ｎ ｒ ｙ ｗ ｒ ｓ ｍｅ ｌ ｇ ａ ｍｅ ｄ ｏｙ ｌ ｏ ；ｐ ｌ ｙ ａ ｉｅ ｉｃ ｎ ｏａ ｅ ｅｇ ａｕ ｉ ｈ ｉ ｉ ｃ ｔ ｌ ｓｉ ｒ ｙ
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多 晶硅 采用 的是 西 门 子法 或 改 良西 门子 法 ， 良 改 西 门 子 法 的 生 产 能 力 占世 界 多 晶 硅 生 产 能 力
的 ７％． ８
Ｄ ｗＣ ｍｉ ＿公 司的专 利 介 绍 ， ｏ ｏ ｎ ２ ｇ 他们 用 优 选 的硅 石 和 电极 ， 淀 粉 、 用 树脂 、 糖作 为黏 结 剂制 团