[发明专利]太阳能级硅的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及从含有硅的过共晶二元或三元合金中，或从精制硅熔体中分离高纯度硅晶体的方法。

在近几十年中，低成本地利用无污染能源的新技术和新产品的发展吸引了人们的注意力。太阳能是一种人们最感兴趣的能源，因为它不会产生任何污染，并且是充裕的。凭借光生伏打效应将太阳能转化为电能，即所谓的太阳能电池吸收阳光。本发明的目的是提供用于太阳能电池的低成本硅材料。

传统地，通过西门子工艺法（Siemens process）制备太阳能级硅。该方法的最重要的特点是化学气相沉积（CVD）。西门子炼铁法是一种消耗能量且高成本的方法。由西门子炼铁法得到的材料的纯度（>11N）适合电子应用，如半导体。用于太阳能电池材料的硅可具有较低的纯度（>5N），仍适合用于光生伏打过程，其中N表示材料纯度中9-位的数目。

近年来，利用石英和碳的直接法，及所谓的Elkem或Fesil法。产物为熔融硅，通常被称为UMG-Si（升级冶金级硅）或SoG-Si（太阳能级硅）。该方法在高温下(> 1400℃)进行，因此也需要消耗相当多的能量，而且在这些温度下材料的选择是一个很大的挑战。

美国专利4,124,410公开了多晶、外延n-p-p型衬底平面二极管，该二极管包括生长在惰性p型、多晶硅衬底上的p型和n型外延层，所述外延层重复下铺式衬底结晶二级结构。通过以下过程来制备所述硅衬底：将硅薄片从溶解在液态金属溶剂中的冶金级硅溶液取出，在熔融区熔融所述与酸硅渣接触的部分纯化的硅薄片，从在旋转的硅籽晶杆上的精制硅熔体中将精制的冶金级硅去除。与传统高纯度半导体级硅相比，制得的衬底具有相当高的杂质含量，由此产生具有太阳能电池性能的低成本二极管。

WO 2007/112592 A1公开了一种纯化硅的方法。在该方法中，由硅和溶剂金属形成第一熔融液体，该第一熔融液体随后与第一气体接触，得到浮渣和第二熔融液体，随后分离所述浮渣与第二熔融液体。然后冷却所述第二熔融液体，以形成硅晶体和母液，并将该晶体从所述母液中分离出来。

所有已知的用于太阳能电池的硅的制备方法都需要消耗相当大的成本和能量。

本发明的一个目的是提供一种精制冶金材料，该材料用于太阳能电池或可容易地转化为这种硅材料。

因此，本发明的目的是提供一种制备太阳能级硅的替代方法，该方法消耗更少的能量，并且使原材料可有更大的灵活性。

发明内容

因此，本发明涉及太阳能级硅的制备方法，包括在含有硅(>15 wt% Si)的过共晶熔融二元或三元合金中，或在精制硅熔体中大的（约1-5 mm）高纯度硅晶体的结晶，其中将小的(约 

所述合金优选为Al-Si、Zn-Si或Al-Zn-Si合金。所述合金更优选为Al-Si合金。

本发明还涉及用于形成、分离和熔融大的( 约1-5 mm)、纯硅晶体的半连续方法，其中将预纯化的含有硅的二元或三元过共晶合金或精制硅熔体转移至熔炉，该熔炉具有从上到下的温度梯度，随后将小的(约100-200 μm)纯硅晶体加入所述熔体，由于温差，小的纯硅晶体在熔体中生长，直至该熔炉中的熔体达到共晶成分，随后将所述熔体从熔炉中转移出而转变为过共晶态，然后放回熔炉，重复该方法，直至形成一定数量的(> 100 kg)大的硅晶体。

在一个优选实施例中，上述熔体的预纯化和使熔体达到过共晶态在第一熔炉中进行，该第一熔炉连接至用于上述方法的所述熔炉。

在另一个优选实施例中，将在所述熔炉中得到的含有大的硅晶体的熔体转移至离心机，保持在熔体的共晶温度以上，因此晶体被推向离心机的壁，含有硅的熔体留在离心机的中心，然后将该含硅的熔体从离心机中轻轻倒出。

附图说明

参考以下说明书和展示实施例的附图，可更好的理解本发明的实施例。

图1展示了Al-Si相图，表明共晶温度为577℃，成分为Al- 12.6% Si。

图2展示了本发明包括熔融和过滤的第一实施例。

图3展示了本发明包括离心作用的另一个实施例。

定义

除非另有说明，本说明书中使用的下面术语具有以下含义：

术语“熔炉”指的是在冶金行业中通常使用的熔炉类型，如感应电炉。

术语“合金”指的是两种或多种金属元素的均匀混合物，其中至少一种为金属，并且产生的材料具有金属属性。

与晶体连接使用的术语“大的”指的是晶体的晶粒尺寸约为1mm至5mm。