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工业制硅的化工工艺流程

 发布时间:2020-06-09 点击量:3986

纯净的硅(Si)是从自然界中的石英矿石(主要成分二氧化硅)中提取出来的,分几步反应:
1.二氧化硅和炭粉在高温条件下反应,生成粗硅:
SiO2+2C=Si(粗)+2CO
2.粗硅和氯气在高温条件下反应生成氯化硅:
Si(粗)+2Cl2=SiCl4
3.氯化硅和氢气在高温条件下反应得到纯净硅:
SiCl4+2H2=Si(纯)+4HCl
以上是硅的工业制法,在实验室中可以用以下方法制得较纯的硅:
1.将细砂粉(SiO2)和镁粉混合加热,制得粗硅:
SiO2+2Mg=2MgO+Si(粗)
2.这些粗硅中往往含有镁,氧化镁和硅化镁,这些杂质可以用盐酸除去:
Mg+2HCl=MgCl2+H2
MgO+2HCl=MgCl2+H2O
Mg2Si+4HCl=2MgCl2+SiH4
3.过滤,滤渣即为纯硅
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企业仍采用硅烷气热分解生产纯度较高的电子级多晶硅产品。

  1. 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。缺点就是安全性差,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企业早年研究的工艺技术。目前世界上只有美国MEMC企业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。
  2. 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]日本川崎制铁企业采用冶金法制得的多晶硅已在世界上大的太阳能电池厂(SHARP企业)应用,现已形成800吨/年的生产能力,全量供给SHARP企业。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。

  1. 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企业为代表,目*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,终成本价可望控制在20美金/Kg以下。

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