CN101759188B - 一种铝熔体提纯金属硅的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种铝熔体提纯金属硅方法，包括如下步骤：首先将金属硅去油、洗净得到洗净后的金属硅；再将铝熔体倒入洗净后的金属硅中，让洗净后的金属硅表面附着一层铝熔体，冷却凝固；将冷却凝固的的产物在惰性气氛中加热、保温，冷却至室温后用盐酸和氢氟酸混合溶液浸泡数小时，用去离子水清洗干净。本发明利用了硅中铝吸杂的原理，对金属硅中的杂质进行初步的吸杂处理，得到较纯的硅材料，以用于后续的提纯工艺，是一种低成本、低能耗、简便易行的物理法提纯制备太阳能级硅的方法，能将金属硅纯度初步提纯到99.99％～99.999％(4～5N)，可以作为太阳能电池用硅材料或进一步提纯的原料。
Description
技术领域
本发明涉及一种金属硅的提纯方法，尤其涉及一种铝熔体提纯金属硅的方法。
背景技术
太阳能分布广泛，是一种用之不竭的清洁能源。太阳能电池能将太阳能转化为电能，但目前太阳能电池的价格比较高，尤其是作为光伏市场主体的晶硅电池成本依然很高，这严重影响了太阳能的推广和使用。
目前光伏市场由晶体硅太阳电池主导。而近年来，硅材料成本占到总成本的25％以上，成为制约太阳能电池进一步发展的瓶颈。在高纯多晶硅提纯技术中，改良西门子法、硅烷法占据了绝大部分的份额。但是，利用这些方法得到的硅原料纯度可达9N，远高于太阳能级硅的7N要求，且成本难以降低。低成本的物理冶金法可以直接将金属硅提纯至太阳能级的要求，因此有望取代西门子法而大幅降低材料成本。
一般认为，大多金属杂质在硅中的分凝系数都很小，可用定向凝固方法去除，但是，当金属杂质浓度很高(大于1ppmw，ppmw是指按质量计的百万分之一，即指在每克硅中有1微克的金属杂质)时，金属杂质不能通过定向凝固的办法去除。在对金属硅进行提纯之前，必须先大幅降低金属杂质浓度至1ppmw以下，使得定向凝固能够发挥最大的作用。
发明内容
本发明提供一种低成本、属于物理法提纯范畴的金属硅的提纯方法。通过本方法制备高级金属硅，可以作为太阳能电池用硅材料或进一步提纯的原料。
一种铝熔体提纯金属硅方法，包括如下步骤：
1)将金属硅去油、洗净得到洗净后的金属硅；
2)将铝熔体倒入洗净后的金属硅中，让洗净后的金属硅表面附着一层铝熔体，冷却使铝熔体凝固；
3)将步骤2)的产物(洗净后的金属硅附着一层铝熔体并凝固)在惰性气氛中加热至600～950℃，保温2～10h，冷却至室温；
4)将步骤3)的产物(冷却到室温的金属硅)取出，用盐酸和氢氟酸的混合溶液浸泡1～5个小时后，用去离子水清洗干净；
所述的盐酸的质量百分比浓度为5％～20％；
所述的氢氟酸的质量百分比浓度为1％～10％；
所述的盐酸与氢氟酸的体积比1∶1。
所述的金属硅的粒径大小为0.05mm～10mm。
作为进一步优选，将步骤2)的产物在惰性气氛(如氩气或氮气)中加热至600～750℃，保温2～5h，冷却至室温；
作为进一步优选，步骤3)中所述的盐酸的质量百分比浓度为5％～9％；所述的氢氟酸的质量百分比浓度为1％～5％。
本发明利用了硅中铝吸杂的原理，在金属硅表面人为形成均匀的铝膜，然后在高温下热处理，使铝膜和硅合金化，形成AlSi合金，同时铝向晶体硅体内扩散，在靠近AlSi合金层处形成一高铝浓度掺杂的p型层。在铝合金化或后续热处理中，硅中的杂质会扩散到AlSi合金层或者高铝浓度掺杂层沉淀，从而导致体内杂质浓度大幅度减小。然后，在化学溶液中将硅片表面的AlSi层、高铝掺杂层除去，从而达到去除杂质的目的。以此，利用铝吸杂对金属硅中的杂质进行初步的吸杂处理，得到较纯的硅材料，以用于后续的提纯工艺。
本发明的目的是创造一种低成本、低能耗、简便易行的一种物理法提纯制备太阳能级硅的方法，能将金属硅纯度初步提纯到99.99％～99.999％(4～5N)，可以作为太阳能电池用硅材料或进一步提纯的原料。
具体实施方式
实施例1
1)将粒径大小为0.05mm的金属硅在丙酮中超声去油、洗净得到洗净后的金属硅；
2)将铝熔体倒入放有洗净后的金属硅的坩埚中，搅拌，待洗净后的金属硅表面均匀附着一层铝熔体后，置于室温下待铝熔体完全凝固；
3)将步骤2)的产物放入退火炉中，在惰性气氛中加热至600℃，保温2h，随炉冷却至室温；
4)将步骤3)的产物取出，用质量百分比浓度为5％的盐酸和质量分数1％的氢氟酸按体积比1∶1浸泡1个小时后，用去离子水清洗干净。可以得到纯度为4.5N的高级金属硅材料。(杂质含量经过ICPMS测试，具体见下表，ppmw是指按质量计的百万分之一，即指在每克硅中有1微克的金属杂质)
| 杂质原子 | B | P | Fe | Al | Ca | Cu | Ni | 总和 |
| 处理前含量(ppmw) | 25 | 21 | 2504 | 2301 | 245 | 23 | 15 | 5134 |
| 处理后含量(ppmw) | 3 | 11 | 20 | 16 | 9 | 0.2 | 0.1 | 59.3 |
实施例2
1)将粒径大小为1mm的金属硅在丙酮中超声去油、洗净得到洗净后的金属硅；
2)将铝熔体倒入放有洗净后的金属硅的坩埚中，搅拌，待洗净后的金属硅表面均匀附着一层铝熔体后，置于室温下待其完全凝固；
3)将步骤2)的产物放入退火炉中，在惰性气氛中加热至750℃，保温5h，随炉冷却至室温；
4)将步骤3)的产物取出，用质量分数10％的盐酸和质量分数3％的氢氟酸按体积比1∶1浸泡3个小时后，用去离子水清洗干净。可以得到纯度为4N的高级金属硅材料。(杂质含量经过ICPMS测试，具体见下表)
| 杂质原子 | B | P | Fe | Al | Ca | Cu | Ni | 总和 |
| 处理前含量(ppmw) | 25 | 21 | 2504 | 2301 | 245 | 23 | 15 | 5134 |
| 处理后含量(ppmw) | 4 | 10 | 53 | 64 | 11 | 0.2 | 0.5 | 142.7 |
实施例3
1)将粒径大小为10mm的金属硅在丙酮中超声去油、洗净得到洗净后的金属硅；
2)将铝熔体倒入放有洗净后的金属硅的坩埚中，搅拌，待洗净后的金属硅表面均匀附着一层铝熔体后，置于室温下待其完全凝固；
3)将步骤2)的产物放入退火炉中，在惰性气氛中加热至950℃，保温10h，随炉冷却至室温；
4)将步骤3)的产物取出，用质量分数20％的盐酸和质量分数10％的氢氟酸按体积比1∶1浸泡5个小时后，用去离子水清洗干净。可以得到纯度为4N的高级金属硅材料。(杂质含量经过ICPMS测试，具体见下表)
| 杂质原子 | B | P | Fe | Al | Ca | Cu | Ni | 总和 |
| 处理前含量(ppmw) | 25 | 21 | 2504 | 2301 | 245 | 23 | 15 | 5134 |
| 处理后含量(ppmw) | 4 | 8 | 32 | 76 | 8 | 0.4 | 0.2 | 128.6 |
Claims (1)
1.一种铝熔体提纯金属硅方法，其特征在于：包括如下步骤：
1)将粒径大小为0.05mm的金属硅去油、洗净得到洗净后的金属硅；
2)将铝熔体倒入洗净后的金属硅中，让洗净后的金属硅表面附着一层铝熔体，冷却使铝熔体凝固；
3)将步骤2)的产物在惰性气氛中加热至600℃，保温2h，冷却至室温；
4)将步骤3)的产物取出，用质量百分比浓度为5％的盐酸和质量百分比浓度为1％的氢氟酸按体积比1∶1浸泡1个小时，用去离子水清洗干净。
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