[发明专利]一种高效回收金刚线切割硅粉制备太阳能级多晶硅的方法

说明书

本发明涉及多晶硅回收技术，提出了一种高效回收金刚线切割硅粉制备太阳能级多晶硅的方法。首先，对硅粉废料进行预处理，再采用高能量密度的加热方式对硅粉废料进行造粒，之后对造粒后的硅块进行真空定向凝固，最后对硅锭进行电子束熔炼。本发明采用激光或电弧加热方式，由于具有能量密度高的特点，可以使一定区域内的超细硅粉在未来得及发生严重氧化的前提下，瞬间熔化并快速凝结成具有一定体积的硅块。高能量密度造粒过程，硅的出成率>95%，显著提高了后续熔炼过程的填充效率，降低成本。同时，本发明进一步结合真空定向凝固杂质的分凝作用和电子束熔炼去除P、O等易挥发性杂质，可以更加有效地提高杂质的去除率，最终得到太阳能级多晶硅。

技术领域

本发明涉及多晶硅回收技术，具体涉及一种高效回收金刚线切割硅粉的方法。

背景技术

随着电池装配技术以及熔炼技术的不断进步，晶硅太阳能电池制备的总成本不断降低，但切割硅片的成本却一直居高不下。在现有的应用最为广泛的多线切割技术的前提下，由于存在切缝损失，大量的高纯硅在该过程中被浪费。金刚线切割是近两年新兴的一种多线切割技术，由于其是一种固着磨料切割技术，如果采用纯水进行切割，其切割产生的高纯硅粉可以直接被回收利用，相当于再造了一个晶硅市场，是最有可能从源头上解决硅粉废料回收问题的切割技术。因此，研究金刚线切割硅粉废料的回收势在必行。目前，国内外都对该废料的回收给予了极大的关注，希望找到该硅粉废料的合适用途。据统计，仅2018年国内多晶硅的年消耗量即可达36～40万吨，按切割质量损失为35%进行计算，年产硅粉干料可达13.6～14万吨。由于该数量逐年递增，且用途开发较少，大量的废料堆积造成了很严重的环境污染和资源浪费，急需开发适合该材料应用的大规模处理技术。

由于硅粉废料的数量庞大，一般的处理方法很难消耗这么多的量，因此人们最早想采用传统的冶炼方式对该废料进行工业硅制造。据调查，工业上尝试过对硅粉废料直径进行感应熔炼，但由于金刚线切割硅粉较细，一般小于0.5 μm，加之感应熔炼温度较低，在熔炼的过程中超细硅粉极易与碳气氛等发生不可逆的化学反应，因此一般出成率不超过70%。其中还有一个非常重要的缺点是硅粉的填充率非常低，由于硅粉表面附着有有机添加剂，烘干后的硅粉较为蓬松，堆垛密度一般为0.3 g/cm³,实际的填充效率不超过10%。考虑到坩埚的消耗，这种方式经济可行性差，因此并没有被推广。另一种方式是造渣熔炼，其缺点依然是出成率较低，由于填料过程中的氧化问题，其出成率一般不足60%，且会引入大量的渣剂杂质。近些年来，针对于金刚线切割硅粉废料的回收研究呈逐年递增的趋势，从已发表的文献上看，主要包括：热等离子体熔炼、感应熔炼、球磨成纳米颗粒制直接制备太阳能电池、溴氢化和气溶胶反应等。前人的这些研究拓宽了硅粉的应用和提供的必要的理论支撑，但是均没有致力于从根本上解决目前硅粉废料回收的实际问题。

解决硅粉熔炼高出成率的方式有两种，一种是确保熔炼过程中气体介质中易与硅反应的物质的偏压小于绝对的数值，使硅在缓慢的升温过程中避免发生严重的化学反应。第二种是想办法提高加热方式的能量密度和升温速率，使硅粉在短时间内实现融化，使硅粉在没有来得及发生严重反应的前提下，迅速融化成硅块。其中第一种方式较难实现，比如实现较低的真空度往往需要对设备进行抽真空，大量的超细粉体在真空中进行处理，很容易发生飞溅，且不利于实现连续加工处理。整体融化过程也不利于杂质的及时排出。第二种方式在处理超细硅粉上有绝对的优势，由于高能量密度所带来的瞬时融化特性，融化过程中对含氧量要求并不敏感。因此，整个操作可以在空气中进行，对实现连续化生产有着很大的帮助。目前可以提供高能量密度的加热方式主要有三种，电子束、激光和高温等离子体。其中，电子束需要在严格的真空条件下运行，主要用在高纯金属去除易挥发性杂质的进一步提纯上，对于熔炼超细粉体以及杂质含量高的粉体基本上是不可能的。相比之下激光和电弧对于在大气中熔炼粉体有着绝对的优势，经过激光和电弧造粒后，硅的出成率大于95%，并且由于形成的硅块具有一定的宏观体积，对于后续的传统熔炼提纯过程十分有利，可以显著提高熔炼效率并降低成本。

发明内容