[发明专利]掺杂晶界聚杂法提纯硅

说明书

本发明涉及一种硅提纯的新方法‑掺杂晶界聚杂(ZJJJ)法。该方法的步骤为：向熔融态待提纯的工业硅中加入具有一定持性的掺杂物料(占总料量2‑10％)。使用具有温控装置的加热炉控制其降温、结晶凝固全过程，进行掺杂晶界聚杂提纯。将结晶冷凝后的硅锭浸入专用酸液中被浸碎成0.1‑0.5mm的硅粒，再经数种不同浓度酸碱液浸溶除杂，去离子水洗至中性，烘干得到硼、磷含量降至1‑0.1ppm，纯度大于5N(99.999％)的高纯硅粒。该方法解除了机械碎硅的弊端并破除了采用液‑固转换提纯手段难除硼、磷的魔咒。

技术领域

本发明涉及一种制取高纯硅的新方法。

背景技术

高发电成本始终是制约光伏发电向全社会普及推广的巨大障碍。尽快将光伏发电成本降到能与传统能源相竞争的水平已成为当今社会各界关注的热点。大幅度降低成本是促使光伏发电在全社会普及的当务之急。在太阳电池成本中硅材料占50％以上。欲大幅降低太阳电池成本，首当其冲便是大幅降低电池用硅成本。1996年在日本新能源产业技术综合开发组织的支持下日本川崎制铁公司(JEF)起始了由冶金级硅生产太阳能级多晶硅的研究。此后这种冶金法(又称物理法)传入中国。掀起一波又一波取代电子硅工艺，生产光伏硅的热潮。但该法虽用了现代冶金手段，实质上还是故有的数种低效提纯技术的组合(定向凝固除去硅中全属杂质，高温硅熔体蒸发除磷，高温硅熔体氧化除硼等)。经多次重复操作，即使硅纯度达到6N，再与改良西门子法相比已不存在成本优势。虽经多年的实施和改进但时至今日，冶金法生产的高纯硅仍不为太阳电池厂家接受。显然，要创建出廉价优质光伏硅生产工艺技术不能只仃留在现有硅提纯技术的老圈子里。必须对硅提纯技术进行再创新。其创新技术必需简捷、高效、省能。如此方能为大幅度降低太阳能级硅材料成本。

发明专利ZL201010132284.1发明的晶界聚杂(JJJ)法与传统的定向凝固和区熔相比，极大地提高了凝固过程中硅中杂质的分凝效率，极大地缩短了提纯过程，并提高了纯材料的实收率。不失为一项高效低耗的硅提纯手段。该法尚存不足之处是：1，对于晶界聚杂(JJJ)后凝固的硅锭，需经机械粉粹到与锭中硅晶粒尺寸大小相当的硅颗粒之后(聚集了杂质的晶界被暴露出来)才能用酸液浸出被聚集到硅晶粒间界处的杂质，经清洗后得到提纯后的纯硅粒。这不仅造成粉碎过程产生硅尘对环境污染，也导致粉碎过程对硅的玷污和损耗；2，与定向凝固相比该法虽极大地提高了杂质的分凝效率但并未改变硅中杂质的分凝系数。对于分凝系数接近于1的杂质的去除仍不具备优势；3，当硅中金属杂质 含量较低，硅纯度较高(硅纯度达2N以上)时，聚到硅晶粒间界处杂质量较低，杂质层薄到酸液难以渗透时，酸浸便难以将其溶解除去。致使晶界聚杂后被排到晶界的杂质在酸浸后仍被保留下来不能与纯硅粒分离。提纯效果受到限制。

发明内容

本发明针对晶界聚杂(JJJ)法的不足，进一步扩展创新出掺杂晶界聚杂(ZJJJ)法。通过往硅熔体中添加少量金属杂质(X％)可以使JJJ法增加叁项重要功能。一是掺杂聚杂后增加了硅晶粒间隙处杂质层厚度，经酸浸溶解聚集在晶界处的金属杂质后自然碎成0.1-0.5mm的纯硅粒，省却了机械破碎带来的能耗、材料损耗、玷污和产生粉尘的弊端，提高材料实收率和纯度。二是利用掺杂剂与硅中杂质的相互作用，通过选择掺杂剂的种类和掺入量，改变纯硅凝固过程杂质的分凝系数，提高杂质的去除能力。三是可对杂质含量较少，纯度较高的硅用掺杂晶界聚杂(ZJJJ)法提纯(解决了因杂质含量低，晶界杂质层薄，酸液难浸入的问题)。

依据上述功能要求，综合选择掺杂剂，既可以是单质也可以是数种材料的合金。做为掺杂元素需具备下列条件：1)，掺杂剂在硅中分凝系数小，且与硅形成的金属间化合物也易于与酸液反应并溶于酸液中；2)掺杂金属或合金元素与被提纯硅中一些杂质元素有较强的亲合力或形成化合物，在硅晶粒结晶凝固过程被分凝到最后凝固的硅晶粒间界处；3)掺杂元素在硅中的固溶度低；4)价廉。总之，按提纯过程的具体要求，选择不同的掺杂剂。考虑成本因素，其掺入量通常控制在硅量的2-10％之间。

具体实施方式