多晶硅还原生产常见问题及控制对策分析

李永龙

新特能源股份有限公司   新疆乌鲁木齐市  831408

摘要：近年来，我国的光伏产业有了很大进展，在光伏产业中，多晶硅的应用十分广泛。在全球范围内新能源越来越受重视的背景下，多晶硅行业取得了快速发展的契机，在短短几年里取得了繁荣与发展，同时呈现出过剩现象。在多晶硅生产过程中，还原生产工艺是最为关键的工艺。本文首先对多晶硅还原生产工艺概述，其次探讨了多晶硅还原生产常见问题，最后就多晶硅还原生产问题的控制对策进行研究，以期为多晶硅生产提供参考。

关键词：多晶硅；还原生产；光伏产业

引言

太阳能光伏产业，作为新能源产业结构体系中发展较为成熟的产业，在碳中和背景下规模将进一步扩大，并成为“双碳”目标得以实现的重要保证。多晶硅是制造集成电路、光伏太阳能等的关键材料。因此，多晶硅生产企业迎来了机遇，但也面临更大的压力，因为市场对多晶硅品质的要求在不断提高。只有不断提升自身的产品质量，实现闭式循环节能减排，才能长久持续发展。

1多晶硅还原生产工艺概述

多晶硅生产中改良西门子法是其中一项西门子工艺，在1100℃高纯硅芯中，使用高纯氢还原高纯三氯氢硅，硅芯上方完成多晶硅沉积在。这种改良西门子工艺，是以传统西门子工艺为前提进行创新，具备节能降耗、可回收利用的特征，多晶硅生产期间同时有H2、HCl、SiCl4一类的副产物和副产热能产生。使用这种改良西门子法，多晶硅生长阶段多是在还原炉内部操作完成。还原炉包括底盘、炉筒，其中底盘上有分布电极分布，常见的若干对棒还原炉即根据电极对数得名，例如常见的有24对棒还原炉和36对棒还原炉。还原炉底盘在多晶硅重量承载这一方面是不可或缺的部件，也负责承担供电和物料进出、物料分布等，利用底盘的绝缘材料、冷却介质流通管路等，即可实现以上一系列操作功能。还原炉炉筒对于多晶硅而言，也是非常必要的生长空间，还原炉炉筒高度、空间，都会对多晶硅实际产能、电耗指标等造成影响，利用炉筒视镜、冷却介质进回路，便可达到温度与多晶硅生长过程的实时监测目的，并实现设备的冷却。

2多晶硅还原生产常见问题

2.1硅芯表面和沉积硅之间缺乏良好粘合

在还原生产中，有时会发生出炉后硅芯与硅棒之间未有效粘合，导致二者脱离现象。之所以会出现这一问题，主要是因为在对硅芯进行酸洗过程中，酸洗力度不足，致使硅芯表面形成氧化层。

2.2生成大量无定形硅

一些多晶硅生产企业为了达到降低能耗、提高产量的目的，很多情况下并不是重视无定形硅，所以在多晶硅生产过程中会产生很多无定形硅。根据经验总结形成无定形硅的原因，其一是三氯氢硅反应温度与还原炉内部生产功率不高，直接提高了沉积速度，从而产生无定形硅；其二是物料内包含的二氯硅烷较多。进入到多晶硅还原生产后期，若是控制温度范围比较高，将会使炉内能见度骤然降低，此时视镜将会变黑，可见度不高。

3多晶硅还原生产问题的控制对策

3.1控制硅油的产生

经过多晶硅还原生产地分析，发现硅油一般是在还原炉内部温度不高的位置产生。所以组织生产期间，需要控制好炉筒内的温度，以免形成产生硅油的条件。与此同时，还原生产过程中还可以控制炉筒冷却热水温度，确保炉筒温度始终处于可控范围。一般在停炉之前，需要提前降低冷却水流量，达到提高炉筒内部温度的效果，使硅油能够尽量挥发。

3.2晶界缺陷的钝化

在光伏领域，一般采用氢钝化的方法抑制多晶硅薄膜材料中的晶界缺陷，氢原子可以与晶界缺陷边界处的悬挂键结合，以消除晶界缺陷与金属离子结合带来的光电效率转化性能减弱，这对提高多晶硅薄膜电池的活性和效率具有重要的意义。氢原子与晶界缺陷的结合可以有效抑制晶界缺陷与金属离子的结合活性。在多晶硅薄膜电池领域，氢气氛退火也较早地应用于钝化多晶硅薄膜材料中的晶界缺陷，虽然氢气氛退火对提高多晶硅薄膜太阳电池的活性有良好的作用，但目前的作用机理尚且不清楚。

3.3控制倒棒现象

多晶硅倒棒问题的控制，建议持续优化还原炉工艺参数，加强炉内热场的均衡性和炉内气流的稳定性。安装硅芯也非常重要，电极头、石墨卡瓣必须固定好，而且硅芯、卡瓣之间还需要检查接触性。另外，工作人员应该随时观察还原炉内部硅棒的生产情况，监督炉温、电流，如果发现硅棒存在裂纹的趋势，必须马上予以控制，修复硅棒上的裂纹。停炉时调整电流速度，尤其是在断电之后注意炉筒不能过早切断高温冷却水，以免硅棒发生脆裂现象。

3.4控制高温条件下还原炉水管的震动

还原炉通水的初期阶段，炉内所有空气必须及时排出。高温水管比较低的位置建议安装排水阀，而相对高的位置则需要安装排气阀，排出管道内部的气体。当通水之后，必须精准控制上水压、出水流量，确保冷热水之间能够匀速混合，监督远传液体温度、流量。

3.5优化循环氢使用工艺

还原尾气经过干法尾气回收和活性炭吸附后，循环氢和纯氢混合后供还原工序以及冷氢化工序。在生产过程中，冷氢化工序对H2的质量要求相对较低，可以将循环氢进行单独供冷氢化使用，多余循环氢与原氢混合后供还原，从而提升供还原H

2的质量。

3.6晶界缺陷的钝化

在光伏领域，一般采用氢钝化的方法抑制多晶硅薄膜材料中的晶界缺陷，这对提高多晶硅薄膜电池的活性和效率具有重要的意义。氢原子与晶界缺陷的结合可以有效抑制晶界缺陷与金属离子的结合活性。在多晶硅薄膜电池领域，氢气氛退火也较早地应用于钝化多晶硅薄膜材料中的晶界缺陷，虽然氢气氛退火对提高多晶硅薄膜太阳电池的活性有良好的作用，但目前的作用机理尚且不清楚。增强化学沉积氢钝化是与SiNX减反射层的沉积同时完成的。在增强化学沉积SiNX减反射层时，将高温沉积的载气中含氢，其中部分氢会沉积在SiNX减反射层薄膜中。在多晶硅薄膜的高温沉积过程中，这部分氢会从SiNX减反射层中进一步释放，原子形态在多晶硅的晶界中扩散，最终与多晶硅薄膜晶界缺陷中的悬挂键结合，起到对晶界缺陷钝化的功能。增强化学沉积氢钝化的缺陷是高温等离子体会对多晶硅薄膜的微观表面造成一定的损伤。微波诱导远距等离子氢钝化（MIRHP）是一种近年来才发展起来的多晶硅晶界缺陷氢钝化方法。原理是利用微波将分子氢转变为原子氢并扩散入多晶硅薄膜的晶界缺陷中，起到钝化多晶硅晶界缺陷的效果。

3.7控制电压击穿导致的横梁和硅芯亮点

还原生产过程中发现硅芯上已经有亮点产生，工作人员必须马上开始控制炉内物料流量、电流升高值，待亮点位置的沉积硅量满足标准，而且颜色也与其他硅芯相似，便可按照还原工艺参数继续多晶硅还原生产。

结语

综上所述，光伏产业发展中多晶硅是非常重要的原材料之一，实际上多晶硅在生产中需要注意的问题与要素比较多，而且这些问题的存在均会对多晶硅质量与应用的效能造成影响。为此，针对多晶硅还原生产，必须综合分析期间可能存在的问题，并且提出有的放矢的控制对策，重点控制裂纹、爆米花问题、还原炉水管震动、硅油等的形成，同时合理设置参数，保证多晶硅还原生产效果满足预期，在生产实践中不断总结经验，改进多晶硅还原生产工艺。

参考文献

[1]陈叮琳，李有斌，李宏盼.原生多晶硅切割方硅芯技术研究[J].中国石油和化工标准与质量，2022，42（4）：171-173.

[2]李有斌，陈叮琳，俞朝.还原炉倒棒原因及改进措施研究[J].中国石油和化工标准与质量，2022，42（3）：47-49.

[3]吴建宏.基于CFD模拟优化多晶硅还原炉内的流场及温度场[J].清洗世界，2021，37（10）：43-44.