[发明专利]一种利用硅废料制备镓掺杂纳米硅颗粒的方法

说明书

本发明公开了一种利用硅废料制备镓掺杂纳米硅颗粒的方法，选取由金刚线切割硅锭后的硅废料经提纯后获得的硅微粉作为原料，配制镓掺杂剂，将该掺杂剂与硅微粉混合进行球磨，通过球磨过程中的瞬时高温将镓元素预扩散到硅颗粒表面，然后将球磨后的产物进行真空干燥，干燥后放置于真空炉中，通入氢气和氮气的混合气体进行辅助扩散，扩散完成后进行筛分收集，最终获得镓掺杂的硅纳米颗粒。本申请镓掺杂硅纳米，制备工艺简单，生产成本低廉，适合激光进行快速高效的局域镓元素掺杂，与现有太阳能电池产线的工艺兼容性高，适合工业化生产。由于镓掺杂后硅纳米颗粒具有良好的导电性，作为锂电池硅负极材料能很好的缓解硅的体积膨胀和提高电池的倍率性能。

技术领域

本发明涉及半导体纳米材料的制备技术领域，尤其涉及一种利用硅废料制备镓掺杂纳米硅颗粒的方法。

背景技术

2019年我国硅片产量为134.6GW，2020年上半年中国硅片产量为75GW，同比增加19.0％，2020年全年硅片产量超过150GW。硅片的生产主要采用金刚线多线切割硅锭制备，在切割硅锭过程中会产生40～50％的高纯硅粉，预计每生产10GW硅片产生的硅废料高达16250吨。如此多的硅废料极大的提高了硅片的生产成本，同时对于废料的处理还需要花费较高费用。金刚线线切割硅片产生的硅粉，尺寸大多为亚微米或微米级(0.5～10μm)尺寸的块状或片层状结构，可统称为硅微粉，硅微粉价值有限，但是高纯度的纳米硅颗粒价值很高。因此，合理利用硅废料生产满足市场要求的高纯纳米硅粉，是可以大大提高光伏产业硅废料的价值。

目前，掺杂纳米硅颗粒的主要用作太阳能电池的局部掺杂源，硼掺杂的纳米硅颗粒用作掺杂源用于PERC太阳能电池局域背场的制备已经进行了较深入的研究(Hong J,WangW,et al,“Screen-Printed Si Paste for Localized B Doping in a Back SurfaceField,”IEEE Electron Device Letters,vol.36,pp.8-10.2015,doi:10.1109/LED.2014.2374875)。但是，硼扩散的过程中由于硼氧复合体的存在，易于引起光衰减。而最直接消除光衰的方式用镓元素替代硼作为掺杂剂，因此，为了获得较高的好的掺杂效果并能进一步提升电池性能，含有镓掺杂源的扩散剂将更利于工业化应用。

同时，掺杂纳米硅颗粒相对于纯硅纳米颗粒具有良好的导电性，导电性约为纯硅材料的50～100倍，可以很好的进行电子传输，应用于锂电池负极材料中，可以很好的改善锂电池的倍率性能，缓解硅材料的体积膨胀。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明公开了一种利用硅废料制备镓掺杂纳米硅颗粒的方法，利用光伏电池生产中的硅废料作为原材料，运用球磨复合及热扩散的方法制备出镓掺杂纳米硅颗粒，以满足在光电器件上的不同应用需求。该方法具有制备工艺流程简单，不需要复杂设备，产率高，可工业化生产等优点。

本发明提出的一种利用硅废料制备镓掺杂纳米硅颗粒的方法，包括如下步骤：

第一步：选取由金刚线切割硅锭后的硅废料，经提纯后获得的硅微粉作为原料，按质量份数配比掺杂试剂0.5～5份、溶剂100份混合制得镓掺杂剂，所述掺杂试剂为氧化镓、氮化镓及氢氧化镓中的一种或多种混合物，溶剂为50～99％乙醇与1～40％盐酸的混合溶液；

第二步：将第一步中硅微粉与镓掺杂剂混合进行球磨，然后将球磨后的产物进行真空干燥；

第三步：将第二步中干燥后产物放置于真空炉中，通入氢气和氮气的混合气体在600～1000℃下进行辅助扩散；

第四步：将第三步中扩散完成后的产物进行筛分收集，最终获得镓掺杂的纳米硅颗粒。

进一步的，所述第一步中的硅锭为P型硅锭，掺杂元素是硼或镓，硅锭是单晶或多晶硅锭；金刚线切割硅锭后的硅废料提纯后的硅微粉的纯度≥95％，尺寸范围0.5～10μm，为单晶或多晶硅粉。