[发明专利]一种采用二次合金法提纯多晶硅的方法

说明书

技术领域

本发明涉及多晶硅的提纯方法，尤其是涉及一种采用二次合金法提纯多晶硅的方法。

背景技术

随着煤炭、石油、天然气等不可再生能源的日益减少，充分开发利用太阳能已成为世界各国政府可持续发展的能源战略决策，其中光伏发电最受瞩目。

目前，世界上生产的太阳能电池95％以上都是硅太阳能电池。在硅太阳能电池中多晶硅太阳能电池转换效率接近单晶硅太阳能电池，且其成本比单晶硅低，因而多晶硅太阳能电池成为了目前太阳能电池市场的主流。

常见的多晶硅生产方法可以分为两类：一类是化学法，另一类是冶金法。而冶金法以其低成本、低能耗、投资小、安全、清洁等优势备受人们青睐。由于冶金法是根据硅中不同杂质的物理化学特性，采用常用的冶金手段针对不同的杂质分别进行去除，因此冶金法提纯常常是几种冶金手段的组合工艺，这无疑又增加了能耗。为了寻找一种更为合理有效的工艺，低熔点合金定向凝固法渐渐地走进了人们的视线。

低熔点合金定向凝固法是利用杂质元素在合金熔体中的溶解度高于其在固态硅中的溶解度这一特点来进行提纯。与其他冶金手段相比低熔点合金定向凝固法对去除多晶硅中的P、B和金属杂质都有明显的效果，大大缩减了多晶硅提纯的工艺过程，有利于降低能耗，节约成本。

在利用合金法提纯多晶硅的研究中，Si-Al合金体系是研究最完善的体系。MORITA等人(YOSHIKAWA T，MORITA K.Refining of silicon during its solidification from a Al-Si melt[J].Journal of Crystal Growth.2009，311：776-779)最先提出采用Si-Al合金法提纯MG-Si。他们在研究中指出，首先将MG-Si与Al混合加热形成合金熔体，待其完全互溶后进行定向凝固，使杂质元素在固态硅和合金熔体间分离，从而达到提纯目的。通过研究，他们还发现采用外部加热时，凝固的硅会分布在合金熔体的各个位置，不利于后期的分离；而采用电磁加热时，由于涡流电流与磁场的相互作用，硅会倾向于在样品中较低的位置凝固，这种倾向使硅聚集在样品的底部而Si-Al合金最后凝固在样品顶部，产生了很好的分离效果，大大简化了后续工艺过程。

日本东京大学TAKESHI YOSHIKAWA等人(TAKESHI YOSHIKAWA，KENTARO ARIMURA，KAZUKI MORITA.Boron Removal by Titanium Addition in Solidification Refining of Silicon with Si-Al Melt.Metallurgical and Materials Transaction B.2005，36B：837-842)研究了在采用Si-Al合金定向凝固法提纯多晶硅时加入Ti的影响，加入Ti后，B容易与Ti生成了TiB₂，而TiB₂在Si-Al熔体中的溶解度非常小，并且可以通过酸洗去除，大大提高了B的去除率。

中国科学院赵立新，王志等人(ZHAO Li-xin，WANG Zhi，GUO Zhan-cheng，Li Cheng-yi.Low-temperature purification process of metallurgical silicon.Transactions of Nonferrous Metals Society of China.2011，21：1185-1192.)对合金体系的选择原则进行了总结，并指出对于Si-Sn合金体系，1500K时硼的分凝系数为0.038，远小于纯硅熔点的对应值0.8，可以通过两次Si-Sn合金定向凝固法将B除到0.1ppm以下，而大部分金属杂质可一次性去除至0.1ppm以下。

以上这些研究都表明，采用采用合金法可以有效地去除多晶硅中的P、B和金属杂质，但是在多晶硅的合金化过程中往往需要配合定向凝固或者温度梯度区域熔炼法等工艺来达到提纯的目的，而定向凝固和温度梯度区域熔炼工艺的能量消耗都很大，这无疑又增加了合金法的提纯成本，因此需要进一步的深入研究来真正实现太阳能多晶硅生产工艺的低成本、低能耗、低污染。

发明内容

本发明的目的在于提供一种采用二次合金法提纯多晶硅的方法。

本发明包括以下步骤：

1)将装有工业硅和工业铁粉的石墨坩埚放入感应熔炼炉中加热，通入氩气；

2)将感应熔炼炉升温至1550～1620℃，保温3～5h；