一种基于硅废料分级的再生多晶硅铸锭工艺

技术领域

本发明属于晶硅铸锭技术领域，特别涉及硅废料的分级再生。

背景技术

晶体硅太阳电池根据其制备所用的硅片可以分为多晶硅太阳电池和单晶硅太阳电池。多晶硅太阳电池的多晶硅片采用定向凝铸法生产，单晶硅太阳电池的单晶硅片则采用柴可拉斯基法（直拉法）制备。这两种硅片的制备方法都不可避免的会产生的高杂质浓度头尾部区和边皮区。对于硅片生产厂家来说，这些废料会占用大量的场地，同时长期存放会对环境造成污染。因此，需要对这些废料进行再生提纯，实现废物再利用。但是，由于硅锭、硅棒不同部位产生的废料的杂质浓度不一样，如多晶硅锭顶部的杂质浓度最高，而边皮的杂质浓度较低；单晶硅棒的底部杂质浓度高，而顶部和边皮的杂质浓度较低，较难采用统一的制备工艺方法进行提纯，而根据不同的废料进行分类提纯，则由于单一的废料量较少，单独提纯的成本更高，得不偿失。因此，研究如何有效地进行硅废料的分类，不同成分硅废料的再生提纯工艺，成为了研究的热点。

再生多晶硅铸锭工艺的主要困难之一就是如何将不同企业、不同批次、不同部位的硅料进行分类、混料和确定铸锭工艺参数。目前人们对于再生多晶硅料的分类主要采用抽测的方法。随机挑选再生硅料中的料块，用便携式四探针测试仪测试料块电阻来进行分类。但是，这个方法用来进行材料的分类并不非常合适，由于多晶硅料不规则，因此四探针法无法准确的测量得到硅料的电阻。更为重要的是头尾、边皮料中的杂质分布是不均匀的，无法仅仅通过表面测试就得到整块硅料的杂质浓度，因此目前所采用的硅料测量分类的方法是不科学的。

发明内容

本发明的目的在于，克服上述现有技术的缺陷，提供一种基于硅废料分级的再生多晶硅铸锭工艺。

为了实现本发明目的，本发明提供的基于硅废料分级的再生多晶硅铸锭工艺，其特征在于步骤如下：

步骤1、将不同批次和不同来源的多晶硅废料进行粉碎并放入容器中混合搅拌；

步骤2、分别从容器的不同位置随机抽取硅废料X份，X为不小于7的自然数；

步骤3、将取出的X份硅废料分别装入标准的柱形容器内压紧，并测量两端间的电阻，并计算该X份硅废料的电阻率，及电阻率的平均值；

步骤4、如果满足下述条件：X份硅废料的电阻率与平均值之差的绝对值小于平均值的10%，则认为硅废料已混合均匀；否则继续搅拌硅废料，并转至步骤3，直到满足上述条件；

步骤5、根据所述硅废料混合均匀后电阻率的平均值落在预先划分的区间，将硅废料进行分级，平均值R越低，硅废料的纯度越高，硅废料等级越高，将同一等级的硅废料按照对应的铸锭工艺进行再生多晶硅铸锭。

本发明创新的采用了电阻测量法来进行硅料的分类，通过将再生硅料粉碎后随机选取硅料压实进行电阻测量。由于电阻测量法测试的是粉碎后混合硅料的电阻值，因此，对于再生硅料的分类更有代表意义。而针对粉碎混合均匀的硅废料，则可选用针对性的工艺进行铸锭，实现了晶硅铸锭的精细化控制，提高了硅锭的质量。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步说明。

基于硅废料分级的再生多晶硅铸锭工艺，步骤如下：

步骤1、将不同批次和不同来源的多晶硅废料进行粉碎并放入长方体容器中混合搅拌；本步骤中，粉碎硅废料至粒径5mm以下；

步骤2、分别从长方体容器内的六个面的中心、八个顶点和体心处取各100克硅废料（也可取不同重量的硅废料，比如150克，200克等），共15份硅废料；

步骤3、将取出的15份硅废料分别装入标准的柱形容器内压紧，柱形容器的内直径为2cm，高度为5cm，并测量两端间的电阻，并计算15份硅废料的电阻率及其平均值；

步骤4、如果满足下述条件：15份硅废料的电阻率与电阻率平均值之差的绝对值小于电阻率平均值的10%，则认为硅废料已混合均匀；否则继续搅拌硅废料，并转至步骤3，直到满足上述条件；

步骤5、根据所述硅废料混合均匀后电阻率的平均值落在预先划分的区间，将硅废料进行分级，电阻率平均值越低，硅废料的纯度越高，硅废料等级越高，将同一等级的硅废料使用对应的铸锭工艺进行再生多晶硅铸锭。

下面以电阻率平均值落在0.3-0.4Ω/cm为例对工艺方法进行说明。铸锭工艺包含以下步骤：

1）、装料850kg入双电源铸锭炉内，抽真空至腔体中的气压低于0.008mbar；

2）、硅料熔化阶段，双电源铸锭炉顶部和侧壁的加热器分别加热1213分钟和1150分钟，直至硅料完全熔化；加热过程又可以分为两个阶段：首先将炉温升高到1150℃去除有机杂质、水分等，然后进一步升高炉温到1540℃熔化硅料，硅料熔化程度的控制，主要通过测量探测石英棒上的硅熔融高度确定底部籽晶的熔化程度；

3）、结晶成锭，通过提升隔热笼的方法降低底部温度，降温工艺时间中，顶部和侧壁的加热器的加热时间分别为2442分钟和2300分钟，实现结晶同时通过加热器进行热补偿，以达到平直的结晶固液面，降低应力，提升结晶质量和防止硅锭碎裂。

4）、退火去应力。将炉温提升到1085.5℃，保持190分钟，最后自然冷却至可出炉的温度。

对于不同等级的硅废料，只需要调整顶部加热器和侧壁加热器在不同阶段的加热时间即可，具体参数如下

第七等级硅废料：电阻率平均值在0.3-0.4Ω·cm区间

硅料熔化阶段，顶部加热器加热时间1213min，侧壁加热器加热时间1150min；

降温结晶阶段，顶部加热器加热时间2442min，侧壁加热器加热时间2300min；

第六等级硅废料：电阻率平均值在0.4-0.5Ω·cm区间

硅料熔化阶段，顶部加热器加热时间1174min，侧壁加热器加热时间1111min；

降温结晶阶段，顶部加热器加热时间2333min，侧壁加热器加热时间2191min；

第五等级硅废料：电阻率平均值在0.5-0.6Ω·cm区间

硅料熔化阶段，顶部加热器加热时间1140min，侧壁加热器加热时间1077min；

降温结晶阶段，顶部加热器加热时间2228min，侧壁加热器加热时间2086min；

第四等级硅废料：电阻率平均值在0.7-0.9Ω·cm区间

硅料熔化阶段，顶部加热器加热时间1116min，侧壁加热器加热时间1053min；

降温结晶阶段，顶部加热器加热时间2114min，侧壁加热器加热时间1972min；

第三等级硅废料：电阻率平均值在0.9-1.2Ω·cm区间

硅料熔化阶段，顶部加热器加热时间1075min，侧壁加热器加热时间1012min；

降温结晶阶段，顶部加热器加热时间1995min，侧壁加热器加热时间1853min；

第二等级硅废料：电阻率平均值在1.2-2Ω·cm区间

硅料熔化阶段，顶部加热器加热时间1040min，侧壁加热器加热时间977min；

降温结晶阶段，顶部加热器加热时间1870min，侧壁加热器加热时间1728min；

第一等级硅废料：电阻率平均值在＞2Ω·cm

硅料熔化阶段，顶部加热器加热时间1012min，侧壁加热器加热时间949min；

降温结晶阶段，顶部加热器加热时间1749min，侧壁加热器加热时间1607min。

不同等级硅废料中的杂质含量不同，在硅料熔化阶段，杂质较多的硅废料进行较长时间的加热，以促进熔化硅料的对流，有利于结晶阶段的杂质析出。而在降温结晶阶段，杂质较多的硅废料需要更长时间的保温（热补偿），减少杂质在在结晶残留，提高硅锭的纯度。两个阶段的加热时间是不同等级硅废料铸锭的关键工艺参数，而两个加热器的加热功率则可温度来自行调节，例如熔化初期，加大功率，熔化保温阶段，则降低功率，这对于本领域技术人员来说是容易掌握的。对本领域技术人员而言，告知上述表格中的加热时间，即可不花费创造力的实现本发明的铸锭工艺。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。