[发明专利]纯化和压实用于光伏应用的原料的方法

说明书

本发明涉及再利用从光伏和微电子工业的带锯和其它硅机械操作中回收的废硅粉作为原料来制备坩锅装料的方法，该坩锅装料用于铸造可用于光伏应用的多晶(polycrystallin)-多晶(multicrystalline)硅锭。

光伏技术(PV)是众所周知的可靠、可再生并且环境友好的清洁电能的来源，光伏工业预期将增加数十GW/年的额外能量。

迄今为止，光伏工业在作为太阳能电池原料的高纯度电子级多晶硅和电子级单晶硅工业废物(锭顶/锭尾，和破裂晶片)再循环中一直采用的并且在某种程度上将继续采用的是超额生产，带来的缺点是非竞争性成本的多晶硅的供应有限并且不稳定。

随着光伏工业发展的速度超过微电子工业，硅原料变得越来越稀有和昂贵。为了克服光伏应用中硅短缺的问题，已经开发了能提供太阳能级硅的以下技术，这些技术至少已经部分采用：

-转变到建立化学生产方法来由三氯硅烷制备电子级硅，目的是通过提供质量要求不如微电子工业严格但是又完全符合光伏工业要求的多晶硅来降低生产成本；

-直接纯化冶金硅；

-石英的碳热还原。

但是，这些额外的技术不足以满足不断增长并且预期将以25-30％/年的速率增长的对太阳能级硅的增长需求。因此，目前多晶硅的生产能力不足以同时供应微电子市场和光伏市场。

尽管通过装备额外的多晶硅生产能力来调节市场以满足这些新要求，但是在未来数年内，在新的生产能力能匹配增长需求之前，仍然存在硅原料短缺的问题。

人们已经预测到直到2010年，太阳能级多晶硅的供应都将难以匹配光伏应用增长的趋势。这种情况导致的结果是目前迫切需要找到太阳能级硅的新的替代原料。

对光伏工业而言价格有竞争力的太阳能级硅的这种严重短缺对回收和再利用废硅粉的技术的发展施加了压力，所述废硅粉是在光伏工业和电子工业的机械操作中作为锯屑(kerf)(微米级硅粉)产生的。

事实上，据估计，能作为细硅粉回收的硅锯屑大约最多占作为原料加入太阳能电池生产过程的硅总量的35％。

PV和微电子生产中废弃的硅的再循环已经并且仍然是诸多研究项目的对象，这些研究项目涉及太阳能发展的欧洲和政府部门，以及一些锯切设备生产商。

任何硅粉回收方法必需解决的关键问题如下所述：

a)从带锯和研磨机的废水中或从线锯操作的废浆液的饼块或淤浆中有效分离硅锯屑；

b)避免锯屑在操作过程中氧化和生成氢；

c)按照光伏工业所要求的水平，有效除去金属杂质；

d)因为颗粒的粒度较小，密度较低并且存在表面氧化条件，所以回收锯屑熔化时存在很多难题。

迄今为止还没有找到在经济和环境方面都完全满意的方案来从机械操作中回收晶体硅金属锯屑以及熔化所述回收的晶体硅锯屑。

关于目前工业中所遇到的问题a)，应该提及专利US 2003/0041895，该专利描述了一种对来自线锯操作的硅进行再利用以制造薄层PV电池的方法。

从PV应用中回收硅锯屑并得到材料的方法主要由以下步骤组成：

a)利用可购得的浆液回收系统将硅浆液浓缩为硅淤浆；

b)利用泡沫浮选(或其它分离-浓缩技术)和表面活性剂从所述淤浆中回收硅锯屑；

c)通过浮选或其它浓缩方法得到的硅锯屑与有机粘结剂混合，产生硅锯屑模塑化合物；

d)使硅锯屑模塑化合物成形为薄层PV电池构造；

e)除去粘结剂，烧结无粘结剂的结构，得到其最终的致密构造。

US 2003/0041895涉及通过购得的系统和硅浮选从线锯浆液中回收硅锯屑，最终目的是通过烧结得到直接用于构建光伏电池的硅薄层结构。值得注意的是该发明并没有解决硅很有可能氧化的问题，也没有解决最终产品纯度的问题。该方法在原料和生产产品方面的灵活性差也是其严重的缺点。需要重点提出的是，在该申请中并没有考虑对来自硅机械操作如带锯和研磨机的硅锯屑进行回收。

关于避免硅氧化的问题b)和关于回收硅的污染物水平的问题c)，该专利文献没有提供合理的解决方案。

关于这一点，作者罗列了半导体工业中常用于清洁硅的方法。

a)Piranha蚀刻：H₂SO₄，H₂O₂，4∶1，在90℃，主要用于除去有机污染物；