CN101423218B - 等离子火焰枪底吹熔化金属硅中难熔元素的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种等离子火焰枪底吹熔化金属硅中难熔元素的方法，包括以下步骤：将火焰枪火焰出口安置在盛硅容器底部中央，将金属硅熔解，倒入盛硅容器中，之后将火焰枪产生的等离子火花推入硅液体并使硅液体翻滚，最后弃除废渣。这种方法可将金属硅中的难熔物质例如钛、硼、碳等，在硅液表面富集形成渣壳弃除，达到提纯的效果。

Description

等离子火焰枪底吹熔化金属硅中难熔元素的方法

技术领域

本发明涉及金属硅中难熔(高熔点)元素的去除，尤其涉及去除金属硅中所含的钛(Ti，熔点1725℃)、硼(B，熔点2300℃)、碳(C，熔点3550℃)。

背景技术

近年来，由于对能源/环境问题、比如矿物燃料能源的消耗和全球变暖问题的高度关注，使得可作为太阳能电池材料的硅的需要迅速增加。随着光伏产业的迅猛发展，太阳能电池对多晶硅需求量的增长速度高于半导体多晶硅的发展。1994年全世界太阳能电池的总产量只有69MW，而2004年就接近1200MW，在短短的10年里就增长了17倍。专家预测太阳能光伏产业在二十一世纪前半期将超过核电成为最重要的基础能源之一。

目前太阳能多晶硅主要有三个来源，一是生产半导体集成电路单晶硅的碎片；二是半导体多晶体的附产品，即单晶棒的头尾剩余料；三是半导体多晶硅产商用多余的产能生产的太阳能多晶硅。

国际上电子级高纯(＞11N)多晶硅原料制备的主流技术是西门子法及散氯氢硅(SiHCl₃)还原法和硅烷(SiH4)热分解法，同时世界各国还有使用改良西门子法(即俄罗斯法)、硅烷法、流态化床法、冶金法，其中改良西门子法占全球产量80％以上。但无论哪一种方法，平均提纯每公斤多晶硅原料耗电都在250～400度左右，高能耗，高投入低产出是多晶硅原料成本居高不下的主要原因，严重制约太阳能电池的普及使用。

太阳能多晶硅的产能受限于半导体级多晶硅的产能。因此，市场急需寻找一种新的、能够大量生产同时成本较低的高纯多晶硅方法。

目前世界上新一代低成本多晶硅工艺技术研究空前活跃。除了传统工艺(电子级和太阳能级兼容)及技术升级外，还涌现出了几种专门生产太阳能级多晶硅的新工艺技术，主要有：改良西门子法的低价格工艺；冶金法从金属硅中提取高纯度硅；高纯度SiO2直接制取；熔融析出法(VLD：Vaper to liquid deposition)；还原或热分解工艺；无氯工艺技术，Al-Si溶体低温制备太阳能级硅；熔盐电解法等。

例如，中国专利申请200410003090.6公开了一种由金属硅制备超纯硅的方法和装置，通过对原料破碎、杂质化合、结晶纯化三个顺序步骤原理，采用以下多种工序组合作业：把金属硅破碎为细颗粒以增大表面积；在硅颗粒中分别通入氧气、加入盐酸、通入氯气的办法，对硅中的杂质进行化合反应，以使硅中的杂质生成氧化物或氯化物；利用高温把低升华温度的氯化物蒸发去除，再利用个别元素偏析系数小和氧化物的低共熔点特性，用中间凝固技术或定向凝固技术进一步把硅中的杂质去除。通过上述工艺和装置来去除硅中杂质，把金属硅纯化为超纯硅制品。中国专利申请200710052244.4公开了一种多晶硅原料低能耗提纯制备方法，首先将经还原处理的金属硅粉碎，再用王水、氢氟酸等酸洗，酸洗后送入连熔炉熔融，连熔炉内温度形成水平温度梯度和垂直温度梯度，从连熔炉出来的硅材料进入区熔炉，使区熔炉内形成区间温度梯度，运用热趋法排除硅碴，即可得到99.9999％纯度的硅。该发明的优点是：利用传统工艺设备连熔炉进行改造，使炉内形成水平温度梯度和垂直温度梯度，工艺步骤少，操作简单，适用于所有的连熔炉。但以上2种化学方法所使用的盐酸、氯气、王水、氢氟酸等化学物质不可避免的会带来环境污染。

此外，在用于太阳能电池的硅中所含的杂质中，决定硅导电类型的元素、特别是磷和硼的含量必须被严格控制。中国专利CN101054178公开了一种多晶硅的除硼方法，其步骤为：将多晶硅块粉碎，球磨，筛选得硅粉；将硅粉用有机溶剂去油处理，并去除硅粉中的铁粉；将去油除铁的硅粉放到容器内，再将容器放到高温炉内，进行湿氧氧化，再冷却；将冷却后取出的硅粉放入氢氟酸溶液中腐蚀，去除样品表面的氧化层；用水反复清洗硅粉至流出的水显中性为止，将硅粉去水干燥，得目标产品。

也有采用物理法对金属硅熔液中进行提纯的，例如，中国专利申请03803266.X提供一种能够以低成本高效制备适用于太阳能电池的纯度约6N的硅的方法。因此，根据本发明，含有硼的原料硅和矿渣被熔化，并且通过旋转/驱动机构使轴旋转由此搅拌熔融硅。熔渣被分散于熔融硅中，由此加速硼去除反应。可进一步有效地利用含有至少45质量％的SiO₂的矿渣，或将与水蒸汽混合的气体作为精炼反应用引入气体吹入熔融硅中。

中国专利申请200480035884.9公开了一种从冶金级硅中去除杂质以制得太阳能级硅的方法，该方法包括以下步骤：(1)、将含有金属杂质和非金属杂质的冶金级硅研磨成直径约5000微米的硅颗粒粉，(2)、在硅粉保持固态的情况下，将其在真空下加热到低于硅熔点的温度，(3)、将加热后的硅粉在所述的温度下保持足够长的一段时间以去除至少一种金属或者非金属杂质。该方法可以在冶金级硅处于固态而不是熔融条件时对其进行处理，去除的杂质主要是磷。

一般而言，冶金级硅的提纯包括去除磷(P)、硼(B)、氧(O)、碳(C)以及各种混合金属。但金属硅提纯过程中其温度一般控制在1600℃左右，在提纯过程中所遇到的问题是金属硅中的一些高熔点物质，例如钛(Ti，熔点1725℃)、硼(B，熔点2300℃)、碳(C，熔点3550℃)不能熔解，难以排出和弃除，以致不能达到提纯的目的。而且，以上方法，只能去除其中一种主要的杂质，而不能同时去除金属硅中的钛、硼、碳。

所以长期以来一直在寻找一种新的提纯工艺来实现金属硅的重熔提纯。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结合等离子火焰枪底吹，熔解金属硅中的高熔点物质，例如钛、硼、碳等高熔点物质，并将这些物质翻滚到硅液表面使其凝固富集形成渣壳弃除。使用本发明的方法，可以同时降低金属硅中钛、硼、碳等高熔点杂质。

本发明采用如下的技术方案：

1、选择等离子火焰枪，将火焰枪火焰出口安置在盛硅容器底部中央；

2、硅熔解，倒入盛硅容器中；

3、使气体(氢和氩)按比例加压至1KG以上，作为火焰枪火焰的动力，将火焰枪产生的电火花推入硅液体并使硅液体翻滚；

4、将熔液表面的废渣去除；

5、将经精炼的硅熔液倒入另一盛硅容器，精炼结束。

所述的硅优选为冶金级的硅，其纯度为约为99％。

所选择火焰枪规格功率以火焰不损伤盛硅容器壁为好；

所述的火焰枪的气体压力根据盛硅体积而定；

所述的氢气和氩气的体积比为氢气大于80％，氩气小于20％。

所述的等离子火花与硅液的反应时间为2～6h。

本发明采用氩气和氢气作为等离子工作气源。氩气用于维持等离子气氛；高温的氢气等离子火焰，可使熔液中的杂质还原为单质并熔解。在底吹气体的搅动作用下，这些杂质单质随熔液翻滚到熔液表面。由于这些杂质单质的熔点高于金属硅单质的熔点，而熔液表面的温度相对熔液内部的温度稍低，所以这些杂质单质在熔液表面凝固形成废渣，经富集后被去除，达到提纯的效果。

经本方法所提炼的金属硅熔液符合光电级硅的纯度要求。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的描述，但以下的实施例仅提供参考与说明用，而非对本发明加以限制。

1、选择专业厂家生产的等离子火焰枪，择火焰枪规格功率以火焰不损伤盛硅容器壁为好，将火焰枪火焰出口安置在盛硅容器底部中央；

2、选择冶金级的硅，其纯度大于99％，熔解，倒入盛硅容器中；

3、按氢气和氩气体积比85％∶15％的比例混合气体，使混合气体加压至1KG以上，作为火焰枪火焰的动力，具体气体压力根据盛硅体积而定，将火焰枪产生的电火花推入硅液体并使硅液体翻滚；

4、在此过程中，废渣在熔液表面不断富集，经反应4个小时后，去除；

5、将经精炼的硅熔液倒入另一盛硅容器，精炼结束。

Claims (3)

1.等离子火焰枪底吹熔化金属硅中难熔元素的方法，包括以下步骤：将火焰枪火焰出口安置在盛硅容器底部中央，将金属硅熔解，倒入盛硅容器中，使氢和氩按比例混合，加压至1KG以上，作为火焰枪火焰的动力，之后将火焰枪产生的等离子火花推入硅液体并使硅液体翻滚，所述的火焰枪的等离子火花从盛硅容器底部吹入熔液，反应一定时间后，弃除废渣，将经精炼的硅熔液倒入另一盛硅容器。

2.根据权利要求1所述的等离子火焰枪底吹熔化金属硅中难熔元素的方法，其特征在于：所述的金属硅为冶金级硅。

3.根据权利要求1所述的等离子火焰枪底吹熔化金属硅中难熔元素的方法，其特征在于：所述的等离子火花与硅液的反应时间为2～6h。