[发明专利]一种以废弃物微硅粉为原料制备高纯硅的方法

说明书

本发明公开一种以废弃物微硅粉为原料制备高纯硅的方法，属于硅材料制备技术领域。本发明所述方法利用硅冶金工业烟尘废弃物微硅粉为原料，经酸蚀预处理后与镁粉进行球磨混料，自然干燥后得Mg@SiO₂‑NPs包覆型反应物料；将处理后的样品置于密封石墨坩埚内，转移至保护性气体的管式炉中，保温一段时间后，经酸蚀、水洗，干燥后得多孔硅粉末。将多孔硅粉末分散在混合酸蚀液中，水浴加热后真空抽滤，反复洗涤至滤液为中性后，烘干得高纯多孔晶硅。本发明通过对微硅粉的简单预处理后，与镁粉球磨混料，经镁热反应实现了较高的还原程度，同时经两道酸蚀处理后，制备得了高纯多孔晶硅，工艺简单，成本低廉，实现了对微硅粉回收的高附加值利用。

技术领域

本发明涉及一种以废弃物微硅粉为原料制备高纯硅的方法，属于硅材料制备技术领域。

背景技术

随着化石燃料的大规模使用所导致的能源短缺和污染问题，已催生了人类对硅基太阳能电池的迫切需求。高纯多晶硅作为太阳能电板的主要源材料，对其产能的需求在不断攀升。而多晶硅生产主要靠成熟的改良西门子法来获取，然而它需要在1100℃的高温下以有毒物质SiCl₄、SiHCl₃为原料制备，能耗高且工艺设备复杂；冶金法是被认为最有希望替代西门子法的工艺，但其须经多种工艺组合、多次重复操作才能得以实现，其能耗、工艺成本并未显著降低。

镁热还原法是以金属镁为还原剂，利用反应过程中本身所释放的巨大热量，为反应节约了大量能耗，因此在较低温度(648℃左右)下便可实现SiO₂向晶体Si的转变。且所用还原剂金属Mg可通过电解副产物MgCl₂实现循环利用不仅绿色节能还降低了多晶硅的生产成本；然而，镁热还原法存在Si转化率低(＜50％)，其副产物Mg₂SiO₄很难被去除等问题，为高纯晶硅的生产增添了极为不利的因素。

发明内容

本发明的目的在于公开一种以废弃物微硅粉为原料制备高纯硅的方法，利用微硅粉亚微米初级粒子结构的特点，通过将其与镁粉球磨混合形成包覆型Mg@SiO₂-NPs结构，极大提高了镁热还原反应程度，实现了高的硅收率；再经两道酸蚀作用后制备得了高纯晶硅。本发明工艺过程简单、能耗成本低、可推广性强，具体包括如下步骤：

(1)微硅粉经焙烧后，分散至酸液(3～5mol/L的盐酸溶液)中，水浴加热至60～90℃下，动力搅拌1～4小时后经真空抽滤，抽滤的同时以去离子水和酒精反复洗涤，干燥后备用。

(2)将经过步骤(1)预处理后的微硅粉与镁粉球磨混匀(球磨介质为常用介质，如正戊烷、酒精或丙酮)，样品经自然干燥后得Mg@SiO₂-NPs包覆型反应物料。

(3)将经步骤(2)处理后的样品置于密封石墨坩埚内，转移至保护性气体的管式炉中，进行镁热还原反应，反应完成以后样品经酸蚀、水洗，干燥后得多孔硅粉末。

(4)将步骤(3)得到的样品分散在混合酸蚀液中，水浴加热至50～90℃并动力搅拌1～5小时后，经真空抽滤，同时以去离子水、酒精反复洗涤至滤液为中性后，烘干得到高纯多孔晶硅。

优选的，本发明步骤(1)中的焙烧温度为700～1100℃，保温时间为2～10小时。

优选的，本发明步骤(2)中微硅粉与镁粉的质量比为1:(0.8～1.4)。

优选的，本发明步骤(2)中球磨转速为100～300转/分，球磨时间为1～12小时，球料比为1:(1～10)。

优选的，本发明所述镁热还原反应条件为：保护性气氛下，以2～10℃/min的升温速率下加热到648～750℃，保温0～10小时。

优选的，本发明所述所述(4)中的酸蚀液为盐酸、硫酸、硝酸、氢氟酸、醋酸、草酸中的一种或几种任意混合；酸的浓度为0.5～8mol/L。