专利名称：一种超纯冶金硅的制备方法
技术领域：
本发明涉及 一种超纯冶金硅的制备方法，属于硅的纯化技 术领域，具体涉及利用真空熔炼炉加入造渣剂提纯工业硅制备超纯冶金硅 的制备方法。特别的可用于太阳能电池用硅的初级提纯力'法。
背景技术：
超纯冶金硅一般用作低成本太阳能电池新工艺用硅原材料 和硅合金中，冶金硅的提纯一般有物理冶金法和化学法，用物理冶金法进 行提纯的方法其特点是硅在提纯过程中成分不变。用化学原理进行硅提纯 的方法称化学法。其特点是硅材料在提纯过程中成分发生变化！化学法成 熟技术一般称改良西门子法，将硅粉和氯化氢气体反应生成三氯氢硅，将 三氯氢硅反复蒸馏后，通过氢气还原出高纯硅；硅烷法是将硅通过化学反 应生成硅烷，然后将硅垸分解为高纯硅，这些化学方法是通过硅成分的变 化过程而有效的去除硅中的金属、硼和磷等各种杂质，化学法存在成本高、 耗电大，设备复杂，还存在污染和爆炸的危险。由于常规能源的有限性， 低成本是光伏产业发展的必经之路！而物理冶金法生产的超纯冶金硅，降 低了太阳能电池硅的质量要求，以此为原料用改进的太阳能电池工艺生产 的太阳能电池，其成本将大大降低，使绿色太阳能有可能走入寻常百姓家 中。
申请公开号为CN1503377A，发明名称为" 一种太阳能电池用高纯硅生 产方法"的中国发明专利申请，该方法包括将作为原料的金属硅熔炼成硅 熔体，往该熔体中添加石灰、氧化铁、萤石；和吹入氧气、氯气、含水的
氢气以及氢气，最终使该熔硅在结晶器中定向凝固，提供一种纯度
99. 9-99. 999%的太阳能电池用高纯硅。这种工艺虽然相对简单，但通气体 很危险，因而限制了该工艺的实施，且质量不稳定，工业化量产也未见报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种杂质总含量低于100ppma。包括用于制 造太阳能电池硅材料的初级提纯方法。其特征在于该方法采用物理冶金技 术，以纯度不低于99. 5%的工业硅作为原材料，经过酸化学预处理后，将 硅粉和造渣剂混匀装在熔炼炉里的石英坩埚内，在微真空或常压下，向熔 炼炉内吹入保护性气体；加热使炉内温度达1400-1700°C，将金属硅熔炼 成硅熔体；进行造渣除杂；最后进行定向凝固得到杂质总含量低于100卯ma 的超纯冶金硅。
本发明按以下步骤完成(1)将99. 5%的冶金硅粉碎、球磨至粒度为80 一300目。优选的粒度范围是100-200目。(2)用质量浓度5-15%的盐酸浸 泡24小时或更长时间后，离心过滤分离，用纯水清洗至ra中性；(3)将 湿法提纯处理后的硅粉烘干；(4)将造渣剂与硅粉按质量比5-15%的量混 匀放入石英坩埚，石英坩埚放在有夹套石墨发热体的感应熔炼炉里，感应 加热的同时，向炉内吹入保护性气体氩气或氮气，防止硅氧化；(5)维持 真空度为4000pa-10000Pa或常压，当炉内温度达1400-170(TC ，优选的温 度范围是1400-1500°C，使硅处在熔融态下，维持30min-60min; (6)将浮 在上面的熔硅渣倒出，精炼的硅留在石英坩埚内进行定向凝固，控制冷却 速度；(7)将得到的硅锭切去上面靠近熔渣部份和下面靠近石英坩埚底的 部份得纯度99. 99-99. 999%的超纯冶金硅。
本发明所用的造渣剂为Na20-CaO-S i02或Ba0-Ca0-S i0,，加入量为硅质 量的5% 15%，造渣剂通常摩尔配比为1:1:1，但此配比对本发明不构 成限制。
炼好的熔硅进行定向凝固时，熔硅的冷却速度是30 35°C/hr。
效果本发明选用高熔点造渣剂，硅粉与造渣剂均匀混合，充分接触， 充分而有效的去除硅中的金属、硼、磷等各种杂质；向炉内吹惰性保护气 体，防止硅氧化，而且安全可靠；用感应加热的方法传热快，温度稳定， 不会因加热带进杂质，本发明工艺简单、成本低、质量稳定，生产安全， 能够实现工业化生产。
具体实施例方式
实施例1:
一种超纯冶金硅的制备方法，其步骤是
将10Kg99.5。/。的冶金硅粉碎、球磨至粒度100目。将硅粉放入到10Kg 质量浓度10%的盐酸溶液中浸泡24小时后，离心过滤分离，用纯水清洗至 PH中性；将湿法提纯处理后的硅粉在真空干燥箱中烘干；取5000g烘干的 硅粉与600gNa20-CaO-Si02造渣剂混匀放入3000ml石英坩埚，石英坩埚放 在有夹套石墨发热体的熔炉里。启动电源进行感应加热，同时向炉内吹入 保护性气体氩气，防止硅氧化；维持真空度为6000 Pa，当炉内温度达1400 。C，使硅处在熔融态下，维持40min; (6)将熔硅渣倒出，精炼的硅留在 石英坩埚内进行定向凝固，控制冷却速度30°C/hr; (7)待硅熔体结晶完 毕后，采用机械切除，将得到的硅锭切去上面靠近熔渣部份和下面靠近石 英坩埚底的部份后取样分析，得纯度99. 993%的超纯冶金硅。
实施例2:
一种超纯冶金硅的制备方法，其步骤是
将100 kg99. 5%的冶金硅粉碎、球磨至粒度150目。将硅粉放入到300kg 质量浓度12%的盐酸溶液中浸泡30小时后，离心过滤分离，用纯水清洗至 PH中性；将湿法提纯处理后的硅粉在真空干燥箱中烘干；取50kg烘干的 硅粉与7. 5kg造渣剂Na20-Ca0-Si02混匀放入80升石英坩埚，石英坩埚放 在有夹套石墨发热体的熔炉里。启动电源进行感应加热，同时向炉内吹入 保护性气体氩气，防止硅氧化；维持真空度为8000 Pa，当炉内温度达1450 °C，使硅处在熔融态下，维持50min; (6)将熔硅渣倒出，精炼的硅留在 石英坩埚内进行定向凝固，控制冷却速度35。C/hr; (7)待硅熔体结晶完 毕后，采用机械切除，将得到的硅锭切去上面靠近熔渣部份和下面靠近石 英坩埚底的部份后取样分析，得纯度99. 996%的超纯冶金硅。
实施例3:
--种超纯冶金硅的制备方法，其步骤是
将100 kg99. 8%的冶金硅粉碎、球磨至粒度100目。将硅粉放入到300kg 质量浓度15%的盐酸溶液中浸泡30小时后，离心过滤分离，用纯水清洗至 PH中性；将湿法提纯处理后的硅粉在真空干燥箱中烘干；取50kg烘干的 硅粉与5kg造渣剂BaO-CaO-Si(V混匀放入80升石英坩埚，石英坩埚放在 有夹套石墨发热体的熔炉里。启动电源进行感应加热，同时向炉内吹入保 护性气体氩气，防止硅氧化；维持真空度为6000 Pa，当炉内温度达1450 °C，使硅处在熔融态下，维持50min; (6)将熔硅渣倒出，精炼的硅留在 石英坩埚内进行定向凝固，控制冷却速度33。C/hr; (7)待硅熔体结晶完 毕后，采用机械切除，将得到的硅锭切去上面靠近熔渣部份和下面靠近石 英坩埚底的部份后取样分析，得纯度99. 997%的超纯冶金硅。
权利要求
1.一种超纯冶金硅的制备方法，包括用于制造太阳能电池硅材料的初级提纯方法，其特征在于该方法采用物理冶金技术，以不低于99.5％的工业硅粉作原料，经过酸化学预处理后，将硅粉和造渣剂混匀在熔炼炉里的石英坩埚内，在微真空或常压下，向熔炼炉内吹入保护性气体，加热，使炉内温度达1400～1700℃，将金属硅熔炼成硅熔体；进行造渣除杂；最后进行定向凝固得杂质总量低于100ppma的超纯冶金硅。
2. 根据权利要求1所述的一种超纯冶金硅的制备方法，其特征是硅粉 粒度80 300目，优选范围为100 200目。
3. 根据权利要求1或2所述的一种超纯冶金硅的制备方法，其特征是 加热熔硅操作所用的电炉是感应熔炼炉，用电磁感应加热，优选加热温度 范围从1400 1500°C，最佳温度1450。C。
4. 根据权利要求1或2所述的一种超纯冶金硅的制备方法，其特征是 向烙硅中吹入的气体是氩气或氮气。
5. 根据权利要求3所述的一种超纯冶金硅的制备方法，其特征是向熔 硅中吹入的气体是氩气或氮气。
6. 根据权利要求1或2所述的一种超纯冶金硅的制备方法，其特征是 加入的造渣剂为Na20-CaO-Si02或BaO-CaO-SiO2 ，加入量为硅质量的 5%_15%，造渣剂的摩尔比为1:1:1。
7. 根据权利要求5所述的一种超纯冶金硅的制备方法，其特征是加入 的造渣剂为Na20-CaO-si02或BaO-CaO-Sa02，加入量5% 15%，造渣剂的摩尔配比为i:i:i。
8. 根据权利要求i或2所述的一种超纯冶金硅的制备方法，其特征是炼好的熔硅进行定向凝固时，熔硅的冷却速度是30 35°C/hr。
9. 根据权利要求7所述的一种超纯冶金硅的制备方法，其特征在于炼 好的熔硅进行定向凝固时，熔硅的冷却速度是30 35°C/hr。
10. 根据权利要求9所述的一种超纯冶金硅的制备方法，其特征是炉内 微真空度为4000pa 10000pa。
全文摘要
一种超纯冶金硅的制备方法，属硅的纯化技术，它提供了一种杂质总含量低于100ppma并用于制造太阳能电池硅材料的初级提纯方法，采用物理冶金技术，以工业硅粉(纯度大于99.5％)作为原材料，经过酸化学预处理后，将硅粉和造渣剂混匀装在熔炼炉里的石英坩埚内，在微真空或常压下，向熔炼炉内吹入保护性气体；感应加热，使炉内温度达1400-1700℃，将金属硅熔炼成硅熔体；进行造渣除杂；最后进行定向凝固得到杂质总含量低于100ppma的超纯冶金硅，本法能够去除硅中大部分金属杂质元素，特别是能有效降低硅中B、P的含量，能满足低成本太阳能电池对硅原料的要求，本发明节约装置投资，降低能耗，工艺简单，生产易于操作。
文档编号C01B33/037GK101353167SQ20081006885
公开日2009年1月28日 申请日期2008年8月8日 优先权日2008年8月8日
发明者吴展平 申请人:贵阳高新阳光科技有限公司