專利名稱：一種超純冶金硅的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及 一種超純冶金硅的制備方法，屬于硅的純化技 術(shù)領(lǐng)域，具體涉及利用真空熔煉爐加入造渣劑提純工業(yè)硅制備超純冶金硅 的制備方法。特別的可用于太陽能電池用硅的初級提純力'法。
背景技術(shù)：
超純冶金硅一般用作低成本太陽能電池新工藝用硅原材料 和硅合金中，冶金硅的提純一般有物理冶金法和化學(xué)法，用物理冶金法進(jìn) 行提純的方法其特點是硅在提純過程中成分不變。用化學(xué)原理進(jìn)行硅提純 的方法稱化學(xué)法。其特點是硅材料在提純過程中成分發(fā)生變化！化學(xué)法成 熟技術(shù)一般稱改良西門子法，將硅粉和氯化氫氣體反應(yīng)生成三氯氫硅，將 三氯氫硅反復(fù)蒸餾后，通過氫氣還原出高純硅；硅烷法是將硅通過化學(xué)反 應(yīng)生成硅烷，然后將硅垸分解為高純硅，這些化學(xué)方法是通過硅成分的變 化過程而有效的去除硅中的金屬、硼和磷等各種雜質(zhì)，化學(xué)法存在成本高、 耗電大，設(shè)備復(fù)雜，還存在污染和爆炸的危險。由于常規(guī)能源的有限性， 低成本是光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必經(jīng)之路！而物理冶金法生產(chǎn)的超純冶金硅，降 低了太陽能電池硅的質(zhì)量要求，以此為原料用改進(jìn)的太陽能電池工藝生產(chǎn) 的太陽能電池，其成本將大大降低，使綠色太陽能有可能走入尋常百姓家 中。
申請公開號為CN1503377A，發(fā)明名稱為" 一種太陽能電池用高純硅生 產(chǎn)方法"的中國發(fā)明專利申請，該方法包括將作為原料的金屬硅熔煉成硅 熔體，往該熔體中添加石灰、氧化鐵、螢石；和吹入氧氣、氯氣、含水的
氫氣以及氫氣，最終使該熔硅在結(jié)晶器中定向凝固，提供一種純度
99. 9-99. 999%的太陽能電池用高純硅。這種工藝雖然相對簡單，但通氣體 很危險，因而限制了該工藝的實施，且質(zhì)量不穩(wěn)定，工業(yè)化量產(chǎn)也未見報道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種雜質(zhì)總含量低于100ppma。包括用于制 造太陽能電池硅材料的初級提純方法。其特征在于該方法采用物理冶金技 術(shù)，以純度不低于99. 5%的工業(yè)硅作為原材料，經(jīng)過酸化學(xué)預(yù)處理后，將 硅粉和造渣劑混勻裝在熔煉爐里的石英坩堝內(nèi)，在微真空或常壓下，向熔 煉爐內(nèi)吹入保護(hù)性氣體；加熱使?fàn)t內(nèi)溫度達(dá)1400-1700°C，將金屬硅熔煉 成硅熔體；進(jìn)行造渣除雜；最后進(jìn)行定向凝固得到雜質(zhì)總含量低于100卯ma 的超純冶金硅。
本發(fā)明按以下步驟完成(1)將99. 5%的冶金硅粉碎、球磨至粒度為80 一300目。優(yōu)選的粒度范圍是100-200目。(2)用質(zhì)量濃度5-15%的鹽酸浸 泡24小時或更長時間后，離心過濾分離，用純水清洗至ra中性；(3)將 濕法提純處理后的硅粉烘干；(4)將造渣劑與硅粉按質(zhì)量比5-15%的量混 勻放入石英坩堝，石英坩堝放在有夾套石墨發(fā)熱體的感應(yīng)熔煉爐里，感應(yīng) 加熱的同時，向爐內(nèi)吹入保護(hù)性氣體氬氣或氮氣，防止硅氧化；(5)維持 真空度為4000pa-10000Pa或常壓，當(dāng)爐內(nèi)溫度達(dá)1400-170(TC ，優(yōu)選的溫 度范圍是1400-1500°C，使硅處在熔融態(tài)下，維持30min-60min; (6)將浮 在上面的熔硅渣倒出，精煉的硅留在石英坩堝內(nèi)進(jìn)行定向凝固，控制冷卻 速度；(7)將得到的硅錠切去上面靠近熔渣部份和下面靠近石英坩堝底的 部份得純度99. 99-99. 999%的超純冶金硅。
本發(fā)明所用的造渣劑為Na20-CaO-S i02或Ba0-Ca0-S i0,，加入量為硅質(zhì) 量的5% 15%，造渣劑通常摩爾配比為1:1:1，但此配比對本發(fā)明不構(gòu) 成限制。
煉好的熔硅進(jìn)行定向凝固時，熔硅的冷卻速度是30 35°C/hr。
效果本發(fā)明選用高熔點造渣劑，硅粉與造渣劑均勻混合，充分接觸， 充分而有效的去除硅中的金屬、硼、磷等各種雜質(zhì)；向爐內(nèi)吹惰性保護(hù)氣 體，防止硅氧化，而且安全可靠；用感應(yīng)加熱的方法傳熱快，溫度穩(wěn)定， 不會因加熱帶進(jìn)雜質(zhì)，本發(fā)明工藝簡單、成本低、質(zhì)量穩(wěn)定，生產(chǎn)安全， 能夠?qū)崿F(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。
具體實施例方式
實施例1:
一種超純冶金硅的制備方法，其步驟是
將10Kg99.5。/。的冶金硅粉碎、球磨至粒度100目。將硅粉放入到10Kg 質(zhì)量濃度10%的鹽酸溶液中浸泡24小時后，離心過濾分離，用純水清洗至 PH中性；將濕法提純處理后的硅粉在真空干燥箱中烘干；取5000g烘干的 硅粉與600gNa20-CaO-Si02造渣劑混勻放入3000ml石英坩堝，石英坩堝放 在有夾套石墨發(fā)熱體的熔爐里。啟動電源進(jìn)行感應(yīng)加熱，同時向爐內(nèi)吹入 保護(hù)性氣體氬氣，防止硅氧化；維持真空度為6000 Pa，當(dāng)爐內(nèi)溫度達(dá)1400 。C，使硅處在熔融態(tài)下，維持40min; (6)將熔硅渣倒出，精煉的硅留在 石英坩堝內(nèi)進(jìn)行定向凝固，控制冷卻速度30°C/hr; (7)待硅熔體結(jié)晶完 畢后，采用機(jī)械切除，將得到的硅錠切去上面靠近熔渣部份和下面靠近石 英坩堝底的部份后取樣分析，得純度99. 993%的超純冶金硅。
實施例2:
一種超純冶金硅的制備方法，其步驟是
將100 kg99. 5%的冶金硅粉碎、球磨至粒度150目。將硅粉放入到300kg 質(zhì)量濃度12%的鹽酸溶液中浸泡30小時后，離心過濾分離，用純水清洗至 PH中性；將濕法提純處理后的硅粉在真空干燥箱中烘干；取50kg烘干的 硅粉與7. 5kg造渣劑Na20-Ca0-Si02混勻放入80升石英坩堝，石英坩堝放 在有夾套石墨發(fā)熱體的熔爐里。啟動電源進(jìn)行感應(yīng)加熱，同時向爐內(nèi)吹入 保護(hù)性氣體氬氣，防止硅氧化；維持真空度為8000 Pa，當(dāng)爐內(nèi)溫度達(dá)1450 °C，使硅處在熔融態(tài)下，維持50min; (6)將熔硅渣倒出，精煉的硅留在 石英坩堝內(nèi)進(jìn)行定向凝固，控制冷卻速度35。C/hr; (7)待硅熔體結(jié)晶完 畢后，采用機(jī)械切除，將得到的硅錠切去上面靠近熔渣部份和下面靠近石 英坩堝底的部份后取樣分析，得純度99. 996%的超純冶金硅。
實施例3:
--種超純冶金硅的制備方法，其步驟是
將100 kg99. 8%的冶金硅粉碎、球磨至粒度100目。將硅粉放入到300kg 質(zhì)量濃度15%的鹽酸溶液中浸泡30小時后，離心過濾分離，用純水清洗至 PH中性；將濕法提純處理后的硅粉在真空干燥箱中烘干；取50kg烘干的 硅粉與5kg造渣劑BaO-CaO-Si(V混勻放入80升石英坩堝，石英坩堝放在 有夾套石墨發(fā)熱體的熔爐里。啟動電源進(jìn)行感應(yīng)加熱，同時向爐內(nèi)吹入保 護(hù)性氣體氬氣，防止硅氧化；維持真空度為6000 Pa，當(dāng)爐內(nèi)溫度達(dá)1450 °C，使硅處在熔融態(tài)下，維持50min; (6)將熔硅渣倒出，精煉的硅留在 石英坩堝內(nèi)進(jìn)行定向凝固，控制冷卻速度33。C/hr; (7)待硅熔體結(jié)晶完 畢后，采用機(jī)械切除，將得到的硅錠切去上面靠近熔渣部份和下面靠近石 英坩堝底的部份后取樣分析，得純度99. 997%的超純冶金硅。
權(quán)利要求
1.一種超純冶金硅的制備方法，包括用于制造太陽能電池硅材料的初級提純方法，其特征在于該方法采用物理冶金技術(shù)，以不低于99.5％的工業(yè)硅粉作原料，經(jīng)過酸化學(xué)預(yù)處理后，將硅粉和造渣劑混勻在熔煉爐里的石英坩堝內(nèi)，在微真空或常壓下，向熔煉爐內(nèi)吹入保護(hù)性氣體，加熱，使?fàn)t內(nèi)溫度達(dá)1400～1700℃，將金屬硅熔煉成硅熔體；進(jìn)行造渣除雜；最后進(jìn)行定向凝固得雜質(zhì)總量低于100ppma的超純冶金硅。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超純冶金硅的制備方法，其特征是硅粉 粒度80 300目，優(yōu)選范圍為100 200目。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種超純冶金硅的制備方法，其特征是 加熱熔硅操作所用的電爐是感應(yīng)熔煉爐，用電磁感應(yīng)加熱，優(yōu)選加熱溫度 范圍從1400 1500°C，最佳溫度1450。C。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種超純冶金硅的制備方法，其特征是 向烙硅中吹入的氣體是氬氣或氮氣。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種超純冶金硅的制備方法，其特征是向熔 硅中吹入的氣體是氬氣或氮氣。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種超純冶金硅的制備方法，其特征是 加入的造渣劑為Na20-CaO-Si02或BaO-CaO-SiO2 ，加入量為硅質(zhì)量的 5%_15%，造渣劑的摩爾比為1:1:1。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種超純冶金硅的制備方法，其特征是加入 的造渣劑為Na20-CaO-si02或BaO-CaO-Sa02，加入量5% 15%，造渣劑的摩爾配比為i:i:i。
8. 根據(jù)權(quán)利要求i或2所述的一種超純冶金硅的制備方法，其特征是煉好的熔硅進(jìn)行定向凝固時，熔硅的冷卻速度是30 35°C/hr。
9. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種超純冶金硅的制備方法，其特征在于煉 好的熔硅進(jìn)行定向凝固時，熔硅的冷卻速度是30 35°C/hr。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的一種超純冶金硅的制備方法，其特征是爐內(nèi) 微真空度為4000pa 10000pa。
全文摘要
一種超純冶金硅的制備方法，屬硅的純化技術(shù)，它提供了一種雜質(zhì)總含量低于100ppma并用于制造太陽能電池硅材料的初級提純方法，采用物理冶金技術(shù)，以工業(yè)硅粉(純度大于99.5％)作為原材料，經(jīng)過酸化學(xué)預(yù)處理后，將硅粉和造渣劑混勻裝在熔煉爐里的石英坩堝內(nèi)，在微真空或常壓下，向熔煉爐內(nèi)吹入保護(hù)性氣體；感應(yīng)加熱，使?fàn)t內(nèi)溫度達(dá)1400-1700℃，將金屬硅熔煉成硅熔體；進(jìn)行造渣除雜；最后進(jìn)行定向凝固得到雜質(zhì)總含量低于100ppma的超純冶金硅，本法能夠去除硅中大部分金屬雜質(zhì)元素，特別是能有效降低硅中B、P的含量，能滿足低成本太陽能電池對硅原料的要求，本發(fā)明節(jié)約裝置投資，降低能耗，工藝簡單，生產(chǎn)易于操作。
文檔編號C01B33/037GK101353167SQ20081006885
公開日2009年1月28日 申請日期2008年8月8日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月8日
發(fā)明者吳展平 申請人:貴陽高新陽光科技有限公司