专利名称：一种高纯硅的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种高纯硅的制备方法，属于冶金材料技术领域。
背景技术：
目前，随着地球上传统化石燃料的不断减少，各行各业对可持续能源有越来越大的需求，其中依靠太阳能电池的光伏发电无疑是一种非常清洁的发电方式。在光伏产业领域，近几十年来，硅材料已广泛用于制造商业太阳能电池，因为它是地壳中含量第二丰富的元素，同时还具有优良的电气和机械性能。硅太阳能电池是一种洁净的可再生资源，然而高昂的原料成本正阻碍其发展。因此，到目前为止，已经提出了各种将工业硅精炼成太阳能级硅的方法，包括化学法和物理法等。世界上其他国家制备高纯硅的方法主要有:用氢气还原SiHCl3并在硅芯发热体上沉积硅的西门子法以及SiH4-分解制备高纯硅的硅烷法。西门子法技术成熟，但是这种生产技术投资大、生产成本高、成本降低潜力不大。硅烷法在生产过程中产生易爆气体。而我国的高纯硅生产基本上都是采用改良西门子法的技术路线，生产成本远高于国际先进水平。过共晶铝硅合 金因其密度小、比强度高，同时兼有良好的铸造性能、耐蚀性、可焊性等，广泛应用于航空、汽车、仪表及机械等工业。但是长期以来，困扰和限制过共晶铝硅合金应用的主要问题是这类合金的缺点:过共晶铝硅合金的微观组织中通常存在较粗大的不规则初晶硅和针状共晶硅，这些较粗大的硅相随机地分布在合金的基体中，严重地割裂了合金基体，在外力作用下，合金中的硅相尖端和棱角部位易引起局部应力集中，从而明显降低了合金的力学性能，尤其是影响其塑性及耐磨性的提高。所以，大部分研究工作者都致力于解决过共晶铝硅合金中初晶硅细化问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种制备高纯硅的方法，通过下列技术方案实现:
一种高纯硅的制备方法，经过下列各步骤:
(1)预处理:将不同含量的过共晶铝硅合金原料磨成100目的细粉，并研磨均匀，然后压块，并以氩气为保护气氛，在温度为670 2500°C下进行加热至熔化，反应时间为2 200分钟；
(2)电磁定向凝固气泡吸杂处理:将步骤(I)预处理后的物料以凝固速率为I 10000 μ m/s进行向上或向下的定向凝固处理，并同时在物料外部施加磁感应强度为I 100T的磁场，析出初晶硅和共晶铝硅合金；在凝固过程中，优先析出的针状或块状褐色初晶硅在磁化力的作用下，沉积到物料的上部或下部，后凝固的白色共晶铝硅合金则在与初晶硅相反的部位析出，并且凝固过程物料中的气泡从初晶硅向共晶铝硅合金中进行迁移，使初晶硅中的杂质吸附在气泡表面而进入共晶铝硅合金中；
(3)切割分离:将步骤(2)所得的物料沿初晶硅和共晶铝硅合金的界面处进行切割分离，分别得到初晶硅和共晶铝硅合金；(4)酸洗处理:将步骤(3)所得的初晶硅进行酸洗处理，再经研磨、干燥，即得到高纯硅粉末。所述步骤(I)的不同含量的过共晶铝硅合金原料是指多种不同铝硅含量的过共晶铝硅合金作为原料。所述步骤(4)的酸洗处理是用浓度为0.1 1000mol/L的酸溶液进行酸洗I 1000分钟。本发明获得的高纯硅纯度大于99.999%，高纯硅中铁的含量小于0.0002%,铝的含量小于0.0002%，硼的含量小于0.0001%，磷的含量小于0.0001%，其余杂质的总含量小于0.0006%O本发明采用电磁定向凝固气泡吸杂的方法使过共晶铝硅合金中的初晶硅与共晶铝硅合金进行分离，并且利用气泡吸杂的原理使初晶硅中杂质首先吸附在气泡表面，然后随着气泡向共晶铝硅合金进行迁移而达到初晶硅中杂质去除的目的，最后对初晶硅进行酸洗使其中的杂质进一步去除得到高纯硅。与其他方法相比，本发明方法具有生产成本低，产品质量好，并且对·环境无污染等优点。具体有以下优点:
Cl)生产成本低:通过电磁定向凝固气泡吸杂处理就可以得到界面清晰的初晶硅和铝硅合金产品，然后经过切割分离后对初晶硅进行酸洗处理就可以得到高纯硅，流用不同铝含量的过共晶铝硅合金为原料，以氩气为保护气氛，温度为670 2500°C，反应时程短，工艺操作简单，生成成本低；
(2)产品质量好:得到的高纯硅纯度大于99.999%，高纯硅中铁的含量小于0.0002%，铝的含量小于0.0002%，硼的含量小于0.0001%，磷的含量小于0.0001%，其余杂质的总含量小于0.0006%，产品质量比较好；
图1为本发明工艺流程图。
具体实施例方式下面结合实施例对本发明做进一步说明。实施例1
(O预处理:将平均含铝量为15wt%的多种不同铝硅含量的过共晶铝硅合金原料磨成100目的细粉，并在研钵中研磨均匀，然后压块，并以氩气为保护气氛，在温度为1800°C下进行加热至熔化，反应时间为180分钟；
(2)电磁定向凝固气泡吸杂处理:将步骤(I)预处理后的物料以凝固速率为ΙΟμπι/s进行向上的定向凝固处理，并同时在物料外部施加磁感应强度为50T的磁场，析出初晶硅和共晶铝硅合金；在凝固过程中，优先析出的针状或块状褐色初晶硅在磁化力的作用下，沉积到物料的上部或下部，后凝固的白色共晶铝硅合金则在与初晶硅相反的部位析出，并且凝固过程物料中的气泡从初晶硅向共晶铝硅合金中进行迁移，使初晶硅中的杂质吸附在气泡表面而进入共晶铝硅合金中；
(3)切割分离:将步骤(2)所得的物料沿初晶硅和共晶铝硅合金的界面处进行切割分离，分别得到初晶硅和共晶铝硅合金；(4)酸洗处理:将步骤(3)所得的初晶硅用浓度为lOOmol/L的盐酸溶液进行酸洗处理110分钟，再经研磨、干燥，即得到高纯硅粉末。高纯硅纯度为99.9994%，高纯硅中铁的含量为0.00015%，铝的含量为0.00013%，硼的含量为0.00008%，磷的含量0.00006%，其余杂质的总含量为0.00018%。实施例2
(O预处理:将平均含铝量为55wt%的多种不同铝硅含量的过共晶铝硅合金原料磨成100目的细粉，并在研钵中研磨均匀，然后压块，并以氩气为保护气氛，在温度为1000°C下进行加热至熔化，反应时间为60分钟；
(2)电磁定向凝固气泡吸杂处理:将步骤(I)预处理后的物料以凝固速率为IOOym/s进行向上的定向凝固处理，并同时在物料外部施加磁感应强度为10Τ的磁场，析出初晶硅和共晶铝硅合金；在凝固过程中，优先析出的针状或块状褐色初晶硅在磁化力的作用下，沉积到物料的上部或下部，后凝固的白色共晶铝硅合金则在与初晶硅相反的部位析出，并且凝固过程物料中的气泡从初晶硅向共晶铝硅合金中进行迁移，使初晶硅中的杂质吸附在气泡表面而进入共晶铝硅合金中；
(3)切割分离:将步骤(2)所得的物料沿初晶硅和共晶铝硅合金的界面处进行切割分离，分别得到初晶硅和共晶铝硅合金；
(4)酸洗处理:将步骤(3)所得的初晶硅用浓度为lOmol/L的硫酸溶液进行酸洗处理500分钟，再经研磨、干燥，即得到高纯硅粉末。高纯硅纯度为99.9993%，高纯硅中铁的含量为0.00018%，铝的含量为0.00015%，硼的含量为0.00009%，磷的含量0.00007%，其余杂质的总含量为0.00021%。实施例3
(O预处理:将平均含铝量为85wt%的多种不`同铝硅含量的过共晶铝硅合金原料磨成100目的细粉，并在研钵中研磨均匀，然后压块，并以氩气为保护气氛，在温度为730°C下进行加热至熔化，反应时间为10分钟；
(2)电磁定向凝固气泡吸杂处理:将步骤(I)预处理后的物料以凝固速率为lOOOym/s进行向下的定向凝固处理，并同时在物料外部施加磁感应强度为4T的磁场，析出初晶硅和共晶铝硅合金；在凝固过程中，优先析出的针状或块状褐色初晶硅在磁化力的作用下，沉积到物料的上部或下部，后凝固的白色共晶铝硅合金则在与初晶硅相反的部位析出，并且凝固过程物料中的气泡从初晶硅向共晶铝硅合金中进行迁移，使初晶硅中的杂质吸附在气泡表面而进入共晶铝硅合金中；
(3)切割分离:将步骤(2)所得的物料沿初晶硅和共晶铝硅合金的界面处进行切割分离，分别得到初晶硅和共晶铝硅合金；
(4)酸洗处理:将步骤(3)所得的初晶硅用浓度为lmol/L的硝酸溶液进行酸洗处理900分钟，再经研磨、干燥，即得到高纯硅粉末。高纯硅纯度为99.9995%，高纯硅中铁的含量为
0.00008%，铝的含量为0.00016%，硼的含量为0.00006%，磷的含量0.00005%，其余杂质的总含量为0.00015%。实施例4
(I)预处理:将多种不同铝硅含量的过共晶铝硅合金原料磨成100目的细粉，并在研钵中研磨均匀，然后压块，并以氩气为保护气氛，在温度为670°c下进行加热至熔化，反应时间为200分钟；
(2)电磁定向凝固气泡吸杂处理:将步骤(I)预处理后的物料以凝固速率为Ιμπι/s进行向下的定向凝固处理，并同时在物料外部施加磁感应强度为100T的磁场，析出初晶硅和共晶铝硅合金；在凝固过程中，优先析出的针状或块状褐色初晶硅在磁化力的作用下，沉积到物料的上部或下部，后凝固的白色共晶铝硅合金则在与初晶硅相反的部位析出，并且凝固过程物料中的气泡从初晶硅向共晶铝硅合金中进行迁移，使初晶硅中的杂质吸附在气泡表面而进入共晶铝硅合金中；
(3)切割分离:将步骤(2)所得的物料沿初晶硅和共晶铝硅合金的界面处进行切割分离，分别得到初晶硅和共晶铝硅合金；
(4)酸洗处理:将步骤(3)所得的初晶硅用浓度为0.lmol/L的硫酸溶液进行酸洗处理1000分钟，再经研磨、干燥，即得到高纯硅粉末。高纯硅纯度为99.9994%，高纯硅中铁的含量为0.00014%，铝的含量为0.00016%，硼的含量为0.00007%，磷的含量0.00005%，其余杂质的总含量为0.00018%。 实施例5
(1)预处理:将多种不同铝硅含量的过共晶铝硅合金原料磨成100目的细粉，并在研钵中研磨均匀，然后压块，并以氩气为保护气氛，在温度为2500°c下进行加热至熔化，反应时间为2分钟；
(2)电磁定向凝固气泡吸杂处理:将步骤(I)预处理后的物料以凝固速率为IOOOOym/s进行向上的定向凝固处理，并同时在物料外部施加磁感应强度为IT的磁场，析出初晶硅和共晶铝硅合金；在凝固过程中，优先析出的针状或块状褐色初晶硅在磁化力的作用下，沉积到物料的上部或下部，后凝固的白色共晶铝硅合金则在与初晶硅相反的部位析出，并且凝固过程物料中的气泡从初晶硅向共晶铝硅合金中进行迁移，使初晶硅中的杂质吸附在气泡表面而进入共晶 铝硅合金中；
(3)切割分离:将步骤(2)所得的物料沿初晶硅和共晶铝硅合金的界面处进行切割分离，分别得到初晶硅和共晶铝硅合金；
(4)酸洗处理:将步骤(3)所得的初晶硅用浓度为lOOOmol/L的盐酸溶液进行酸洗处理I分钟，再经研磨、干燥，即得到高纯硅粉末。高纯硅纯度为99.9993%，高纯硅中铁的含量为
0.00017%，铝的含量为0.00018%，硼的含量为0.00009%，磷的含量0.00009%，其余杂质的总含量为0.00017%。
权利要求
1.一种高纯硅的制备方法，其特征在于经过下列各步骤: (1)预处理:将不同含量的过共晶铝硅合金原料磨成100目的细粉，并研磨均匀，然后压块，并以氩气为保护气氛，在温度为670 2500°C下进行加热至熔化，反应时间为2 200分钟； (2)电磁定向凝固气泡吸杂处理:将步骤(I)预处理后的物料以凝固速率为I 10000 μ m/s进行向上或向下的定向凝固处理，并同时在物料外部施加磁感应强度为I 100T的磁场，析出初晶硅和共晶铝硅合金； (3)切割分离:将步骤(2)所得的物料沿初晶硅和共晶铝硅合金的界面处进行切割分离，分别得到初晶硅和共晶铝硅合金； (4)酸洗处理:将步骤(3)所得的初晶硅进行酸洗处理，再经研磨、干燥，即得到高纯硅粉末。
2.根据权利要求1所述的高纯硅的制备方法，其特征在于:所述步骤(I)的不同含量的过共晶铝硅合金原料是指多种不同铝硅含量的过共晶铝硅合金作为原料。
3.根据权利要求1或2所述的高纯硅的制备方法，其特征在于:所述步骤(4)的酸洗处理是用浓度为0.1 lOOOmol/L的酸溶液进行酸洗I 1000分钟。
全文摘要
本发明提供一种高纯硅的制备方法，经预处理、电磁定向凝固气泡吸杂处理，通过电磁定向凝固气泡吸杂处理就得到界面清晰的初晶硅和铝硅合金产品，然后经过切割分离后对初晶硅进行酸洗处理就得到高纯硅。本发明获得的高纯硅纯度大于99.999%，高纯硅中铁的含量小于0.0002%，铝的含量小于0.0002%，硼的含量小于0.0001%，磷的含量小于0.0001%，其余杂质的总含量小于0.0006%。本发明方法具有生产成本低，产品质量好，并且对环境无污染等优点。
文档编号C01B33/037GK103072992SQ201310034809
公开日2013年5月1日 申请日期2013年1月30日 优先权日2013年1月30日
发明者马文会, 余文轴, 魏奎先, 任永生, 伍继君, 谢克强, 刘永成, 周阳, 郁青春, 刘大春, 杨斌, 戴永年 申请人:昆明理工大学