CN101723380A - 一种降低定向凝固法硅产品杂质的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种降低定向凝固法硅产品杂质的方法。本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种没有污染、能耗少、成本低的降低定向凝固法硅产品杂质的方法。所述方法是利用定向凝固法所生产的硅产品中硅与其中杂质的熔点和沸点的不同以及在不同压力、不同温度下的蒸气压的不同，通过对产品进行蒸馏，将硅与其中的杂质进行分离，从而降低产品中杂质的含量，提高硅的纯度的方法。本发明用于提高硅的纯度，使生产的硅达到制作太阳能电池的质量要求。

Description

一种降低定向凝固法硅产品杂质的方法

技术领域

本发明涉及一种硅的提纯方法，特别是涉及一种降低定向凝固法硅产品杂质的方法。

技术背景

现在随着太阳能电池的应用越来越广泛，用于制作太阳能电池的材料硅的需求量越来越大。但由于工业硅产品里含有较多的杂质，目前还不能直接用于制作太阳能电池。现在硅的提纯主要采用的是西门子提纯方法，该方法是先将硅变成三氯氢硅，经过精留后再在高温下用氢气进行还原，该工艺污染大能耗高。虽然现在也有一些其它技术提纯方法，如中国专利局于2007.07.11公开的专利申请号200610166374.6发明名称《一种硅的提纯方法》发明技术，该项发明解决目前硅提纯过程中消耗电力巨大、生产成本居高不下的问题，但最终仍然要采用化学方法，转化成硅烷进行提纯，化学方法污染环境、能耗高、工艺复杂。现在为了减少环境污染采用了定向凝固技术，定向凝固技术虽然具有节省能源污染少的优点，但是对于其中的杂质硼、磷等还不能有效地去除。因此，现在急需一种工艺简单、能耗低、对环境污染小的降低定向凝固产品中的杂质的方法。

发明内容

本发明的目的在于克服上述缺点，提供一种能耗低、工艺简单、成本低的降低定向凝固法硅产品杂质的方法。

为此，本发明提供了一种降低定向凝固法硅产品杂质的方法，所述方法是利用定向凝固法所生产的产品中硅与其中杂质的熔点和沸点的不同以及在不同压力、不同温度下的蒸气压的不同，通过对产品进行蒸馏，将硅与其中的杂质进行分离，从而降低产品中杂质的含量，提高硅的纯度的方法。定向凝固法是提纯硅的一种物理方法，具有节省能源、对环境无污染、成本低等优点；但由于其中的部分杂质特别是硼、磷的分凝系数分别为0.8和0.35，采用定向凝固法将很难分离！如果采用定向凝固法除去硼只有通过多次定向凝固的方法逐渐除去。但每多进行一次定向凝固将多增加一次费用及能源的消耗，这样会极大地增加成本，从而使定向凝固法的优势失去。但采用本发明时，由于硅的沸点远高于磷而同时又大大低于硼，所以可以通过蒸馏的方法除去磷和硼。如：在蒸馏温度低于硅而高于磷的沸点条件下进行蒸馏，这时磷将变成蒸汽从定向凝固法的硅产品中分离出来，而硅留在残留物中；对残留物再次进行蒸馏使硅变成蒸汽，而硼残留在残留物中，将硅蒸汽进行冷凝后成为高纯度的产品。

在本发明提供的另一种降低定向凝固法硅产品杂质的方法中，所述蒸馏是精馏。精馏是蒸馏的一种形式，但精馏的分离效果更好。因为硅的产品的纯度要求非常高，如用于太阳能电池的硅的纯度必须高于6N，如果采用蒸馏将要进行多次才能达到要求，这样必然要增加生产能耗和成本，所以通常是采用蒸馏技术中的精馏方法，通过精馏可以使硅产品的纯度得到更大的提高，减少蒸馏的次数。精馏是在精馏塔中进行。

在本发明提供的另一种降低定向凝固法硅产品杂质的方法中，为了防止新的杂质如氧的掺入，所述蒸馏或精馏是在惰性气体里进行的。在惰性气体中进行可以防止硅的氧化，所述惰性气体一般是氩气，当然根据具体的要求所述惰性气体也可以是氮气。为了降低蒸馏所需要的温度，防止新的杂质特别是硅蒸汽的氧化，所述蒸馏或精馏是通常是在真空状态下进行的。在真空中进行蒸发沸点会降低，使蒸发可以在较低的温度下进行，蒸馏设备的耐温要求下降，可以节省能耗和设备费用，使很多在常压下难以进行的蒸发得以实现。

本发明提供的另一种降低定向凝固法硅产品杂质的方法中，所述蒸馏通常是分步进行的，在低于硅的沸点或高于硅的沸点或等于硅的沸点的不同温度下进行，以除去不同的杂质。如为了除去低沸点的杂质，所述蒸馏是在温度低于硅的沸点下进行蒸馏，低沸点的杂质如磷被蒸发成蒸汽后冷凝成馏出物，硅及高沸点的杂质留在残留物中。再将所述残留物进行再次蒸馏，所述蒸馏是在温度高于硅的沸点下进行蒸馏，硅蒸发后冷凝成产品，沸点高于硅的杂质如硼留在残留物中。通过分步蒸馏的方式分别与低沸点杂质和高沸点杂质进行分离。当然根据不同的产品杂质特点，也可以先除去高沸点杂质然后再除去低沸点杂质。同样，通过精留塔也可以同时进行，分别同时除去高沸点和低沸点杂质，低沸点杂质从塔顶分离，高沸点杂质留在残留物中，提取中间的硅产品。

本发明提供的另一种降低定向凝固法硅产品杂质的方法中，所述蒸馏或精馏是多次的，通过多次蒸馏或精馏不断地提高硅的纯度。因为硅产品的纯度要求非常高，不同的规格满足于不同的需求，如太阳能电池通常要求达到6N、电子工业通常要求达到9N，如果一次蒸馏或精馏达不到产品要求，可以采用多次蒸馏或精馏的方式逐步提高产品的纯度直到达到要求为止。当然，也可以将本发明与其它方法进行联合，如将区域熔炼技术与本发明进行联合，利用区域熔炼技术除去其中的金属杂质，利用本发明除去磷、硼杂质，充分发挥各自优势，降低成本提高产品质量。

本发明提供的降低定向凝固法硅产品杂质的方法与现有方法相比具有以下优点：

1.无污染：由于蒸馏是物理分离方法，没有进行化学反应，所以无污染；

2.能耗低：由于是在真空中直接进行蒸发，所以能耗少；只有现有技术的百分之十；

3.成本低：减少了化学药品的使用，降低了生产成本，只有现有技术的百分之十。

下面通过附图描述本发明的实施例，可以更清楚地理解本发明的构思、方法。

附图说明

附图1是本发明提供的一种降低定向凝固法硅产品杂质的方法中除去低沸点杂质的实施例示意图；

附图2是本发明提供的一种降低定向凝固法硅产品杂质的方法中除去高沸点杂质的实施例示意图。

具体实施方式

参照附图1，附图1是本发明提供的一种降低定向凝固法硅产品杂质的方法中除去低沸点杂质的实施例示意图：在真空罐1里的下面安装了加热器2，在加热器2的上面是硅坩埚4，定向凝固硅产品3放置在坩埚4里，冷凝器6上面放置馏出物容器5。真空泵通过真空抽出口7与真空罐1相连。当为了去除定向凝固硅产品3里的低沸点杂质时，将定向凝固硅产品3放置在坩埚4里，加热器2加热后，将温度控制在低于此压力下的硅的沸点，此时定向凝固硅产品3里面的低温杂质(如杂质磷)蒸发变成蒸汽，进入到馏出物容器5里，由于冷凝器6降低了温度，蒸汽在馏出物容器5里面冷凝成液体或固体。从而将低温杂质从定向凝固硅产品3里面分离出来。

参照附图2，附图2是本发明提供的一种降低定向凝固法硅产品杂质的方法中除去高沸点杂质的实施例示意图：加热器22安装在真空罐21里的底部，在加热器22上是坩埚23，在坩埚23里面是除去低温杂质的定向凝固硅产品24。当真空泵通过真空抽气口30将真空罐抽成真空时，加热器22给坩埚23加热，坩埚23里的定向凝固硅产品24蒸发成硅蒸汽，硅蒸汽在塔柱25里面经过分离提纯后进入到冷凝器29里，硅蒸汽通过与冷凝器29进行热交换后变成液体硅，液体硅通过出料口26流入到硅产品容器28里。为了防止高温杂质(如硼)也变成蒸汽混入到硅产品里，通过塔头温度计27来控制加热器22的加热和出料口26。

上面所述实施例是对本发明进行说明，并非对本发明进行限定。本发明要求保护的构思、方法和范围，都记载在本发明的权利要求书中。

Claims (10)

1.一种降低定向凝固法硅产品杂质的方法，包括定向凝固法硅产品，其特征是：所述方法是利用定向凝固法所生产的产品中硅与其中杂质的熔点和沸点的不同，以及在不同压力、不同温度下的蒸气压的不同，通过对产品进行蒸馏，将硅与其中的杂质进行分离，从而降低硅产品中杂质的含量，提高硅的纯度的方法。

2.根据权利要求1所述的降低定向凝固法硅产品杂质的方法，其特征是：所述蒸馏是精馏。

3.根据权利要求1或2所述的降低定向凝固法硅产品杂质的方法，其特征是：所述蒸馏或精馏是在真空状态下进行的。

4.根据权利要求1或2所述的降低定向凝固法硅产品杂质的方法，其特征是：所述蒸馏或精馏是在惰性气体里进行的。

5.根据权利要求4所述的降低定向凝固法硅产品杂质的方法，其特征是：所述惰性气体是氩气。

6.根据权利要求4所述的降低定向凝固法硅产品杂质的方法，其特征是：所述惰性气体是氮气。

7.根据权利要求1所述的降低定向凝固法硅产品杂质的方法，其特征是：所述蒸馏是分步进行的，在低于硅的沸点或高于硅的沸点或等于硅的沸点的不同温度下进行，以除去不同的杂质。

8.根据权利要求7所述的降低定向凝固法硅产品杂质的方法，其特征是：所述蒸馏是在温度低于硅的沸点下进行蒸馏，低沸点的杂质在馏出物中，硅及高沸点的杂质留在残留物中。

9.根据权利要求8所述的降低定向凝固法硅产品杂质的方法，其特征是：将所述残留物再次蒸馏，所述蒸馏是在温度高于硅的沸点下进行蒸馏，硅蒸发后冷凝成产品，沸点高于硅的杂质留在残留物中。

10.根据权利要求1或2或7或8或9所述的降低定向凝固法硅产品杂质的方法，其特征是：所述蒸馏或精馏是多次的，通过多次蒸馏或精馏不断地提高硅的纯度。

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