[发明专利]一种增强合金化分凝提纯多晶硅的方法

说明书

技术领域

本发明属于冶金提纯技术领域，特别涉及一种增强合金化分凝提纯多晶硅的方法。

背景技术

随着煤炭、石油、天然气等传统能源的枯竭以及全球变暖等环境问题的日益突出，寻找新的清洁、可再生能源成为当务之急。可再生能源当中，太阳能因具有分布广泛、清洁无污染等特点成为理想能源。将太阳能转化成电能的技术为光生伏特效应，该技术的关键元件为太阳能电池。多晶硅是生产太阳能电池的主要原料，而多晶硅的提纯成本居高不下，寻找低成本的太阳能级硅提纯技术显得至关重要。

目前，制备太阳能级硅的方法有化学法和物理法（冶金法）两种，化学法以改良西门子法为主，即化学气相沉积(CVD)法。该方法生产的多晶硅虽然纯度高，但存在高能耗、高污染等缺点。与化学法相比，冶金法具有工艺流程相对简单、能耗低、环境污染小等优点，引起人们的广泛关注。冶金法包括定向凝固、等离子精炼、真空熔炼、造渣提纯、合金提纯等过程，是一种综合的提纯方法。定向凝固可以去除硅中绝大部分金属杂质，而对P和B的去除作用不明显，这是因为P和B的分凝系数比较大。P具有高的饱和蒸汽压，可以通过真空熔炼的方法去除。

等离子精炼和造渣精炼的方法虽然可以达到去除B杂质的效果，但都存在缺点。等离子精炼能耗比较高；造渣精炼存在用渣量大，污染环境等缺点。合金提纯方法是一种新型的低温除B方法，它基于分离结晶原理。其过程为：首先将杂质含量较高的工业硅熔于金属溶剂中，硅中的杂质元素在合金熔体中扩散，再将合金熔体缓慢冷却，在冷却过程中，初晶硅析出，杂质抑制在合金熔体中，最终获得高纯度初晶硅。目前，合金体系主要有Si-Al，Si-Fe, Si-Cu等二元合金，这些合金对多晶硅都具有一定的提纯效果，但受限于硼在硅与合金熔体间的分配系数，需要采用多次分凝提纯才能达到太阳能级硅纯度标准。

发明内容

本发明为克服以上不足，提供一种增强合金化分凝提纯多晶硅的方法，该方法在Si-Al二元合金提纯的基础上进行，能高效、一次性的降低工业硅中的杂质B含量，从而使B含量满足太阳能级硅的要求。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种增强合金化分凝提纯多晶硅的方法，其特征是：第一步前处理：首先对杂质硼含量高的工业硅和原铝进行清洗预处理；

第二步合金化熔炼：然后将原铝放入感应炉中，在氩气保护700-800℃下使原铝完全熔化，之后向熔融的铝液中加入工业硅，升温至1100-1200℃进行合金化熔炼，完全熔化后加入金属或金属氧化物，保温2-4h；

第三步分凝提纯：缓慢冷却至580~620℃，硼化物和初晶硅先后析出并沉积在坩埚底部，坩埚上部为铝硅熔体，将铝硅熔体倾倒并贮存；

第四步后处理：最后对初晶硅进行无机酸处理，去除残余金属及硼化物，之后进行烘干处理，即可得到硼含量低的多晶硅。

所述方法具体步骤如下：

第一步前处理：采用去离子水对工业硅和原铝进行超声清洗2~4h，去除其表面附着的杂质，得到清洗后的工业硅和原铝；   

第二步合金化熔炼：称取一定质量比的清洗后的原铝、工业硅，将原铝放入感应炉中，在氩气保护700-800℃下使原铝完全熔化，之后向熔融的铝液中加入工业硅原料，升温至1100-1200℃进行合金化熔炼，完全熔化后向熔体中加入金属或金属氧化物，保温2-4h，金属或金属氧化物完全熔化并与杂质硼形成稳定的高熔点硼化物；

第三步分凝提纯：将合金熔体以1~3℃/min的速率缓慢冷却至580~620℃，微量硼化物优先析出，沉积在坩埚底部，之后初晶硅析出并在感应电磁力作用下富集到坩埚底部的硼化物之上，将坩埚上层的铝硅熔体倾倒出去贮存，并重复应用于工业硅提纯；

第四步后处理：对初晶硅在50~70℃下进行无机酸处理，依次为盐酸处理4-5h、王水处理2-3h、氢氟酸处理2-3h，去除残余金属及硼化物，之后在60~100℃下对硅进行烘干处理，即可得到硼含量低的多晶硅。

所述工业硅纯度为99.0-99.8%，其含硼量为20~25ppmw。

所述原铝纯度为99.5%~99.8%，

所述原铝和工业硅的质量比为0.7~2。

所述金属或金属氧化物为Fe、Ti、Zr、Ca、CaO、TiO₂、ZrO₂、Fe₂O₃中的一种或几种，纯度为99.0-99.8%，金属或金属氧化物的加入量铝硅熔体总质量的0.1~1%。