第二代多晶硅生产流程中虽然SiCl4 得到利用, 但HCl 仍然未进入循环。第一代和第二代多晶硅生产流程中, H2 和HCl 的分离可以用水洗法, 并得到盐酸。而第三代多晶硅生产流程(图3) 中不能用水洗法, 因为这里要求得到干燥的HCl 。为此, 用活性炭吸附法或冷SiCl4 溶解HCl 法回收, 所得到的干燥的HCl 又进入流床反应器与冶金级硅反应。在催化剂作用下, 在温度300 ℃和压力0.45 MPa 条件下转化为SiHCl3 , 经分离和多级分馏后与副产品SiCl4 、SiH2Cl2 和大分子量氯硅烷分离。SiHCl3 又补充到储罐待用, SiCl4 则进入另一流床反应器, 在500 ℃和3.45 MPa 的条件下生产SiHCl3 。第三代多晶硅生产流程实现了完全闭环生产,适用于现代化年产1 000 t 以上的多晶硅厂。其特点是H2 、SiHCl3 、SiCl4 和HCl 均循环利用。还原反应并不单纯追求最大的一次通过的转化率, 而是
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提高沉积速率。完善的回收系统可保证物料的充分利用, 而钟罩反应器的设计完善使高沉积率得以体现。反应器的体积加大, 硅芯根数增多, 炉壁温度在≤575 ℃的条件下尽量提高; 多硅芯温度均匀一致(~1 100 ℃) , 气流能保证多硅棒均匀迅速地生长, 沉积率已由1960 年的100 g/ h 提高到1988 年
的4 kg/ h , 现在已达到5 kg/ h , 数十台反应器即可达到千吨级的年产量。
成功运行第三代多晶硅生产的关键之一是充分了解反应物和生成物的组成, 另一关键是充分了解每步反应的最佳条件, 才能正确地设计工厂的工艺流程及装备。现代多晶硅生产已将生产1 kg 硅的还原电耗降至100~120 kW·h , 冶金级硅耗约114 kg , 液氯耗约114 kg , 氢耗约0.5 m3 , 综合电耗为~ 170kW·h 。多晶硅的纯度也是至关重要的[5 ] , 施主杂质
容许的最高原子比为15 ×10 - 11 (150 ppta) ,
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受主杂质浓度为5 ×10 - 11 (50 ppta) , 碳浓度为1 ×10 - 7 (100 ppba) 。体金属总量也应控制在5 ×10 - 10 (500 pptw) 以下。此外对表面金属也有严格要求[1 ] 。
国内外多晶硅生产的主要工艺技术
![]() (一)国内外多晶硅生产的主要工艺技术
1,改良西门子法——闭环式三氯氢硅氢还原法
改良西门子法是用氯和氢合成氯化氢(或外购氯化氢),氯化氢和工业硅粉在一定的温度下合成三氯氢硅,然后对三氯氢硅进行分离精馏提纯,提纯后的三氯氢硅在氢还原炉内进行CVD反应生产高纯多晶硅。
国内外现有的多晶硅厂绝大部分采用此法生产电子级与太阳能级多晶硅。
2,硅烷法——硅烷热分解法
硅烷(SiH4)是以四氯化硅氢化法、硅合金分解法、氢化物还原法、硅的直接氢化法等方法制取。然后将制得的硅烷气提纯后在热分解炉生产纯度较高的棒状多晶硅。以前只有日本小松掌握此技术,由于发生过严重的爆炸事故后,没有继续扩大生产。但美国Asimi和SGS公司仍采用硅烷气热分解生产纯度较高的电子级多晶硅产品。
3,流化床法
以四氯化硅、氢气、氯化氢和工业硅为原料在流化床内(沸腾床)高温高压下生成三氯氢硅,将三氯氢硅再进一步歧化加氢反应生成二氯二氢硅,继而生成硅烷气。
制得的硅烷气通入加有小颗粒硅粉的流化床反应炉内进行连续热分解反应,生成粒状多晶硅产品。因为在流化床反应炉内参与反应的硅表面积大,生产效率高,电耗低与成本低,适用于大规模生产太阳能级多晶硅。唯一的缺点是安全性差,危险性大。其次是产品纯度
不高,但基本能满足太阳能电池生产的使用。
此法是美国联合碳化合物公司早年研究的工艺技术。目前世界上只有美国MEMC公司采用此法生产粒状多晶硅。此法比较适合生产价廉的太阳能级多晶硅。
4,太阳能级多晶硅新工艺技术
除了上述改良西门子法、硅烷热分解法、流化床反应炉法三种方法生产电子级与太阳能级多晶硅以外,还涌现出几种专门生产太阳能级多晶硅新工艺技术。
1)冶金法生产太阳能级多晶硅
据资料报导[1]日本川崎制铁公司采用冶金法制得的多晶硅已在世界上最大的太阳能电池厂(SHARP公司)应用,现已形成800吨/年的生产能力,全量供给SHARP公司。
主要工艺是:选择纯度较好的工业硅(即冶金硅)进行水平区熔单向凝固成硅锭,去除硅锭中金属杂质聚集的部分和外表部分后,进行粗粉碎与清洗,在等离子体融解炉中去除硼杂质,再进行第二次水平区熔单向凝固成硅锭,去除第二次区熔硅锭中金属杂质聚集的部分和外表部分,经粗粉碎与清洗后,在电子束融解炉中去除磷和碳杂质,直接生成太阳能级多晶硅。
2)气液沉积法生产粒状太阳能级多晶硅
据资料报导[1]以日本Tokuyama公司为代表,目前10吨试验线在运行,200吨半商业化规模生产线在2005-2006年间投入试运行。
主要工艺是:将反应器中的石墨管的温度升高到1500℃,流体
三氯氢硅和氢气从石墨管的上部注入,在石墨管内壁1500℃高温处反应生成液体状硅,然后滴入底部,温度回升变成固体粒状的太阳能级多晶硅。
3)重掺硅废料提纯法生产太阳能级多晶硅
据美国Crystal Systems资料报导[1],美国通过对重掺单晶硅生产过程中产生的硅废料提纯后,可以用作太阳能电池生产用的多晶硅,最终成本价可望控制在20美元/Kg以下。 ![]()
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