太阳能级硅制备新技术研究进展

张丹　綦宗升　李军　王爽　赵志川

摘 要：硅原料是决定太阳光发电产业发展的重要因素。为了提高太阳能电池产业的快速发展，必须研究开发低成本的、不依赖于半导体硅的制造的太阳能电池级硅制造方法。近年来，制作太阳能电池用的多晶硅的新技术、新装置、新设备的研究开发很盛行，而且有很多新的研究结果和技术革新。这也表明了世界多晶硅工业生产技术的正在不断飞跃提升。

关键词：太阳能级硅;制备;新技术

尽管现有的提纯方法可以实现工业生产，但是很难生产低成本的多晶硅。因此，它必须向两个方向发展：一是在继续保证和开发半导体级多晶硅，二是有必要研究和开发新技术以生产低成本的太阳能级多晶硅材料。近年来，在用于太阳能电池的新多晶硅技术，新设备和新技术的制备方面的研究与开发非常活跃，涌现了许多新的研究成果和技术，并取得了新的突破，这也标志着世界多晶硅工业的发展与多晶硅生产技术新飞跃即将到来。当前多晶硅的制备技术较多，笔者结合自身多年工作经验，总结为以下几点：

（1）改进的西门子方法

在电子多晶硅生产工艺的基础上，开发了新的多晶硅反应堆技术以实现低成本太阳能级硅的生产，这也是最有可能的低成本太阳能级硅生产技术之一。目前，日本、德国、美国和其他国家正在对该技术进行研发。

（2）硅烷热分解法

硅烷是又称甲硅烷。硅烷的热分解过程包括硅烷的制备、纯化和热分解。后来，美国MEMC Pasadena公司使用高純度硅烷气体作为原料来生产粒状多晶硅。在硅烷的制造工序中，采用了以四氟化硅为原料的非氯化工序。此过程可以保护产品免受四氯化硅的污染。

（3）由冶金级硅直接提纯制备太阳能级硅

通过冶金级硅可以实现对太阳能级硅的直接提取，日本川崎钢铁有限公司进行了技术的实验，将冶金级硅作为提炼太阳能级硅的原料，实验分为了两大步骤。第一步骤，需要将冶金级硅中的其他金属杂质以及磷去除，通过运用真空蒸馏与定向冷凝技术，可以达到杂质去除的目的。第二步骤，主要是，通过在等离子体熔化炉中的氧化气氛除去硼和碳。利用定向冷凝使硅凝结，并在这个过程中将所含的其他金属杂质去除，使其中所存杂质的浓度符合太阳能级硅规定的要求。川崎钢铁有限公司所生产的太阳能级硅为p?极性，维持0.5—1.5cm的电阻系数。在该实验中，存在一些问题，根据日本森调一树的研究发展，将钙添加到实验步骤中，可以极大促进硅中杂质金属的去除，尤其是铁钛金属杂质。实验表明了通过此种方法可以提炼太阳能级硅。另外，还有一些学者利用湿法精制方法提炼太阳能级硅，这项研究挪威与德国率先进行了研究。实验主要是将冶金级硅合金化物进行固化处理，然后在通过酸洗，将硅中一些杂志去除，通过精炼进一步提纯，最后得到符合标准的太阳能级硅。学者将提炼到的太阳能级硅运用到太阳能电池中，其使用效率最高近15%，并进一步研究了材料中电阻与电池效率的关系。

除此之外，Heliotronic / Wacker公司也对冶金级硅提炼太阳能级硅做了相关的实验研究，首次使用酸浸法对硅金属中的杂质进行去除，去除杂质后在对硅进行固化处理处理。Bayer AG也首先使用酸扩散法，在反应性气体（氢气、水蒸气四氯化硅）中熔化以去除一些杂质。最后，使用真空和定向凝圖除去杂质。Elkem的方法是压碎硅金属，然后将其放入酸浸中。在添加高纯度金属之后，使用定向凝圖来处理硅中的杂质。

（4）真空冶金制备太阳能级硅的新技术

该技术利用了冶金级硅中的杂质分布特点，采用真空冶金技术，组合真空干燥、真空精制、真空蒸馏真空脱气、真空定向凝固等新技术连接并准备太阳能级硅，目前硅产品的纯度99.99%以上，已申请国家专利。与东京大学的深度合作统一研究，以期在现有技术的基础上进行优化以满足太阳能级硅产品的要求促进这项技术的产业化。

（5）从废旧石英光纤中提取高纯

太阳能级硅石英光纤主要由高纯度二氧化硅玻璃组成。通过通讯科技的发展，光纤增长非常快。2001年，日本光纤需求量为29 800万公里，其中包含二氧化硅为810吨，相当于包含370吨硅。而光纤的寿命一-般为20年。光纤的生产过程中还存在大量的次品。从另一个角度来讲，当前使用过的光纤和生产过程中的次品将成为一种具有危险性的废品，如果没有经过专业的处理，将会导致高纯度二氧化硅资源和潜在的高能量的浪费，同时造成了对环境的破坏。利用废旧光纤和次品光纤制备太阳能级硅新技术，一方面解决光纤带来的环境问题，此工艺符合清洁生产和循环经济要求;另-方面此工艺为解决目前太阳能级硅严重短缺找到了一个很好的思路。

结语

太阳能发电是最环保、最清洁，同时安全系数高，供电量大。硅原料是太阳能发电的最主要原料，制硅技术的提高可以促进太阳能发电产业的发展。笔者结合自身多年工作经验，对太阳能级硅制备新技术进行了研究，希望能够引起国家对制硅技术的重视，提高国家太阳能级硅制备技术。

参考文献

[1]麦毅.冶金法制备太阳能级硅工艺中湿法提纯及半工业化研究[D].昆明理工大学，2014.

[2]刘瑞聪.湿法提纯制备太阳能级硅过程的研究[D].2014.

[3]黄忠文，秦际宏，蓝志宝，等.冶金法制备太阳能级多晶硅工艺技术研究[J].小型内燃机与车辆技术，2015.