CN101941700B - 一种从工业硅中去除硼杂质的方法 - Google Patents
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Abstract
一种从工业硅中去除硼杂质的方法，包括将工业硅破碎、磁选、酸洗、烘干，然后在硅粉里加入SiO2和碱性金属化合物，将这些粉状材料混合，再将混合粉体搅拌均匀。在搅拌后的混合粉体添加膨化促进剂，使混合粉体变膨松，然后将膨松的混合粉体置入中频炉、高频炉、太阳炉、新型太阳炉、激光或聚光LED中进行高温熔炼；或者将膨松的混合粉体高压成形，成形后的块料再置入中频炉、太阳炉、新型太阳炉、激光或聚光LED中进行高温熔炼。熔炼后将硅与熔渣冷却并分离，将硅料砸碎并酸洗,即可非常高效率的去除工业硅里的硼元素。
Description
技术领域
本发明涉及一种提纯硅材料的方法，尤其是去除工业硅所含的硼杂质的方法。
背景技术
目前，硅的提纯方法有两大类，既化学法提纯和物理法提纯。化学法提纯，比如西门子法，改良西门子法和硅烷法，可以达到较高的纯度，包括电子级的纯度。然而，用化学法提纯的成本高，耗电量大而且给环境带来威胁（含有四氯化硅等气体的尾气排放）。用物理法提纯能达到的纯度比化学法低，由于去除工业硅中的硼杂质的困难，目前只能达到接近太阳能级的纯度，然而此方法的成本和耗电量普遍上比化学法低，因此许多单位都在投入大量人力、物力及财力研究和使用物理法提纯硅材料。
用物理法提纯硅材料所面临的主要技术难关是如何高效率的、低成本的和稳定的去除硅材料里的硼。硼是三价元素，由于化学元素周期表中的“对角线”原则，它同硅的许多物理、化学性质都十分相同，甚至它的化合物同硅的化合物性质也十分接近。这就使得硅、硼的分离十分困难。物理法提纯硅材料的现有技术有三大类：造渣法，吹气法和湿法等离子体火焰熔炼。吹气法和湿法等离子体火焰熔炼的材料损耗大、成本高，硅里的硼含量一般只能降到0.7ppm左右;造渣法的工艺要求相对比较简单，缺点是效率低，为了要达到好的效果，有时需要多次造渣，大大提高了成本，也降低效率。人们常用提纯前的硼含量与提纯后的硼含量的比值作为提纯效率的参数来衡量，一般的一次性造渣的比值为2~5之间。如果不能找到一次造渣的比值大于10的方法，造渣的经济性是非常差的。因此为了实现低成本高效率的硅材料提纯，必须研究出具有高除硼效率的造渣方法。本发明提出了一种通过提高硅和渣的有效接触面积而提高除硼效率的方法。用此方法，以上比值的数值可以大于10。以上方法，再结合本发明者最近发展的强辐射催化方法，可以实现最大效率和最快的去硼过程。
目前主流使用的渣剂组成包括但不限于Al2O3,SiO2,CaF2，MgO和BaO。参考文献：[美国专利，专利号：5788945；日本专利，公开号：56-32319]。提高硅与渣熔体的接触面积是提高造渣法效率的主要途径，为此，现有技术所使用的提高渣剂体系的除硼效率的方法有：（1）搅拌硅和渣的熔体，（2）往硅和渣的熔体注入气体以产生搅拌作用，（3）使用密度比硅低的渣剂以使硅的熔体能够靠重力穿过渣熔体以增加接触面积。然而，无论采用什么方法，由于硅熔体的表面张力大的关系，硅的熔体和渣的熔体不易亲近，因此以上3种提高硅和渣熔体的接触面积的方法的效果仍然受到了限制。另一种方法是加入助熔剂，比如CaF2，以增加渣济的流动性进而增加有效接触面积；但是助溶剂实际上会降低硅和渣剂的共熔体的温度，反而降低了硼的去除效率。如何最有效地使用助熔剂提高去硼效率目前在工业中仍是一个处于实验中的方法。
本发明提出了一种新的能够提高渣剂的除硼效率的方法，一种在不降低共熔体温度的情况下，显著提高硅熔体和渣熔熔体的接触面积的方法。这个方案的关键在于熔化前使用固体膨化的方法，经过硼化的硅粉与渣剂的混合物中，在微观的范围内固体硅颗粒的周围制造出许多均匀的空隙，这些经膨化所产生的空隙可被粉状的渣剂填充，或者将这种膨体进行高压成形，可以让固体的渣剂填充大部分这样的空隙，从而当将这样的混合体使用各种方法熔化时，固体硅在熔化的瞬间，熔硅可以非常充分地和渣剂接触以去除硼，然后细粒的熔硅再相互结合，以此提高除硼效率和缩短提纯的时间。
发明内容
本发明提出一种通过膨化作用从工业硅中去除硼杂质的方法，其特征包括以下步骤：
(1). 将工业硅破碎成粉状，然后经过强力磁选机去除铁磁性杂质，并进一步通过酸洗以去除表层的金属杂质；
(2). 将步骤(1)处理过的硅粉用净水清洗，去除残酸，然后烘干；
(3). 将步骤(2)处理过的硅粉，与粉状的SiO2和碱性金属化合物混合，然后均匀搅拌；
(4). 在步骤(3)制备的硅、SiO2和碱性金属化合物的混合物里添加膨化促进剂，使所述的混合物膨化，混合物里面的物质疏松，混合物的体积增加, 固体硅颗粒均匀地分布在粉状的渣剂中，混合物里各种物质的颗粒之间的空隙增加；
(5). 将步骤(4)处理过的混合物，用中频感应炉，高频频感应炉或者其他高温热炉或太阳炉、激光或聚光LED加热至1700°C -2000°C, 使所述的混合物熔化，并发生充分的化学萃取反应；
(6). 将步骤(5) 发生充分的化学反应的熔体里的硅液取出，冷却并与残渣分离，砸碎和酸洗以去除杂质,即可非常高效率的去除工业硅里的硼杂质。
上面所述的酸洗，其特征包括，所用的酸是浓盐酸，或者浓硝酸，或者氢氟酸，或者王水；酸洗的温度范围为60°C ~80°C； 酸洗时间为1 ~ 2小时；酸洗的过程中对所述的硅粉或者硅料进行搅拌。步骤(3)所述的碱性金属化合物，其特征包括单独使用或者混合使用CaO, MgO, Na2O,K2O,CaCO3, MgCO3,Na2CO3, K2CO3，BaO;。同时，步骤(4)所述的膨化促进剂, 其特征包括在加热熔化硅和权利要求3中所述的碱性金属化合物的过程中，会发生热解，产生水或气体或挥发物的物质，其中包括Ca(OH)2,CaCO3,NaOH,Na2CO3,MgCO3。
另一方面，本发明还提出一种通过膨化作用从工业硅中去除硼杂质的方法，其特征包括以下步骤：
(a). 将工业硅破碎成粉状，然后经过强力磁选机去除磁性杂质，并进一步通过酸洗去除表层的金属杂质；
(b). 将步骤(a)处理过的硅粉用净水清洗，去除残酸，然后烘干；
(c). 将步骤(b)处理过的硅，与粉状的SiO2和碱性金属氧化物混合，然后均匀搅拌；
(d). 在步骤(c)制备的硅，SiO2和碱性金属氧化物的混合物里添加膨化促进剂，使所述的混合物膨化，混合物里面的物质疏松，混合物的体积增加, 固体硅颗粒均匀地分布在粉状的渣剂中，混合物里各种物质的颗粒之间的空隙增加；
(e) 将膨化后的混合物进行高压成形，减少混合物颗粒之间的空隙，从微观来讲，使每一粒固体硅颗粒的周围都分布有颗粒状的渣剂；
(f). 将步骤(e)压制出来的混合物压制品，用中频炉、高频感应炉或者其他高温热炉或太阳炉、激光或聚光LED加热至1700°C -2000°C, 使所述的混合物熔化，并发生充分的化学萃取反应；
(g). 将步骤(f) 发生充分的化学反应的熔体里的硅液取出，冷却并与残渣分离，砸碎和酸洗以去除杂质,即可非常高效率的去除工业硅里的硼杂质；
上面所述的酸洗，其特征包括，所用的酸是浓盐酸，或者浓硝酸，或者氢氟酸，或者王水；酸洗温度为60°C ~80°C； 酸洗时间为1 ~ 2小时；酸洗的过程中对所述的硅粉或硅料进行搅拌。根据步骤(c)所述的碱性金属化合物，其特征包括单独使或者混合使用CaO, MgO, Na2O,K2O,CaCO3, MgCO3,Na2CO3, K2CO3，BaO。步骤(d)所述的膨化促进剂, 其特征包括在加热熔化硅和权利要求3中所述的碱性金属化合物的过程中，会发生热解，产生水或气体或挥发物的物质，其中包括Ca(OH)2,CaCO3,NaOH,Na2CO3,MgCO3。根据步骤(f)所述的太阳炉, 其特征包括使用中国专利公开号CN101004298和中国专利公开号CN101368764所公开的一种使用自旋仰角跟踪的太阳炉。
具体实施方案
为了更具体的说明本发明提出的方法，以下列出两个具体实施方案和一个对比的案例。
具体实施方案1
使用本发明提出的方法来提纯硅材料：
选用工业硅，硼含量16.11ppm, 铝含量100ppm, 用对辊机粉碎，篩出50-200目的硅粉待用，500g的硅粉，用20%，80C的盐酸酸洗和搅拌1小时，把酸倒掉，用去离子水冲洗除酸，将清洗后的硅粉烘干，加入250g SiO2粉和120g CaO粉, 将混合粉体搅拌均匀。在搅拌好的混合粉体加入70g Ca(OH)2和50g Na2CO3做为膨化剂，搅拌均匀，混合物会膨化，体积增大5-6倍，将该混合物倒入石墨坩埚里，用中频炉加热至1750°C直到全部粉体彻底熔化，保持5分钟,将硅液取出，用ICPMS测量硼、铝元素含量；硼含量是1.5ppm, 铝含量是0.7ppm。提纯前和提纯后的硼含量的比值是10.74。
具体实施方案2
使用本发明提出的方法来提纯硅材料：
选用工业硅，硼含量3.0ppm, 铝含量100ppm, 用对辊机粉碎，篩出50-200目的硅粉待用，500g的硅粉，用2%的盐酸酸洗和搅拌1小时，加热到80°C，将酸倒掉，用去离子水冲洗除酸，将清洗后的硅粉烘干，加入250g SiO2粉，120g CaO粉, 把混合粉体搅拌均匀。在搅拌好的混合粉体加入70g Ca(OH)2和50g Na2CO3作为膨化剂，均匀搅拌，混合物会膨化，体积增大5-6倍，将混合物置入特制模具，加压100吨成形，将成型的混合物硅棒用太阳炉加热至1900°C进行熔化，熔化后的硅料从渣中分离，用ICPMS测量硼、铝元素含量；硼含量是0.3ppm, 铝含量是0.07ppm。提纯前和提纯后的硼含量的比值是10.0。
对比案例
使用现有技术方案来提纯硅材料：
选用工业硅，硼含量3.0ppm, 铝100ppm, 用对辊机粉碎，篩出50-200目的硅粉待用, 500g的硅粉，把硅粉烘干。加入250g SiO2粉，250g CaO粉,均匀搅拌。把粉体倒入石墨坩埚里，用中频炉加热至1600°C直到全部粉体已经彻底熔化，保持3 分钟,将硅液取出，用ICPMS测量硼、铝元素含量；硼含量是1.5ppm, 铝含量是2.0ppm。提纯前和提纯后的硼含量的比值是2.0。
如果采用原始硼含量为3ppm的工业硅作为起始点，用本发明提出的方法来提纯硅材料，只需要提纯一遍，硅里的硼含量就可以满足太阳能级的要求了，如具体实施方案2所示。如果采用传统的技术方案则需要进行三次以上的提纯过程，并且最终硅里的硼含量还会因为除硼效率低的缘故受到材料的纯度和环境的污染的限制，不能满足太阳能级的要求。
Claims (4)
1.权利要求1
一种通过膨化作用从工业硅中去除硼杂质的方法，其特征包括以下步骤：
（1） 将工业硅破碎成粉状，然后经过强力磁选机去除铁磁性杂质，并进一步通过酸洗以去除表层的金属杂质；
（2） 将步骤(1)处理过的硅粉用净水清洗，去除残酸，然后烘干；
（3） 将步骤(2)处理过的硅颗粒，与粉状的SiO2和碱性金属化合物，然后均匀搅拌；
（4） 在步骤(3)制备的硅、SiO2和碱性金属化合物的混合物里添加膨化促进剂，所述的膨化促进剂，其特征包括在加热熔化硅和碱性金属化合物的过程中，会发生热解，产生水或气体或挥发物的物质，使所述的混合物膨化，膨化后混合物里面的物质疏松，混合物的体积增加，固体硅颗粒均匀地分布在粉状的渣剂中，混合物里各种物质的颗粒之间的空隙增加；
（5） 将步骤(4)处理过的混合物，用中频感应炉，高频感应炉或者其他高温热炉或太阳炉、激光或聚光LED加热至1700℃-2000℃, 使所述的混合物熔化，对熔体进行搅拌使其发生充分的化学萃取反应；
（6） 将步骤(5) 发生充分的化学反应的熔体里的硅液取出，冷却并与残渣分离，砸碎和酸洗以去除杂质，即可非常高效率的去除工业硅里的硼杂质；
所述的碱性金属化合物，单独使用或者混合使用CaO、MgO、 Na2O、K2O、BaO；
所述的膨化促进剂包括CaCO3、Na2CO3或MgCO3。
2.权利要求2
根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)所述的酸洗，所用的酸是浓盐酸，或者浓硝酸，或者氢氟酸，或者王水；酸洗的温度范围为60℃-80℃； 酸洗时间为1 - 2小时；酸洗的过程中对所述的工业硅进行搅拌。
3.权利要求3
一种提纯工业硅的方法，其特征包括以下步骤：
（1） 将工业硅破碎成粉状，然后经过强力的磁选机去除铁磁性杂质，并进一步通过酸洗以去除表层的金属杂质；
（2） 将步骤(1)处理过的硅粉用净水清洗，去除残酸，然后烘干；
（3） 将步骤(2)处理过的硅，与粉状的SiO2和碱性金属化合物混合，然后均匀搅拌；
（4） 在步骤(3)制备的硅，SiO2和碱性金属氧化物的混合物里添加膨化促进剂，所述的膨化促进剂，其特征包括在加热熔化硅和碱性金属化合物的过程中，会发生热解，产生水或气体或挥发物的物质，使所述的混合物膨化，膨化后混合物里面的物质疏松，混合物的体积增加，固体硅颗粒均匀地分布在粉状的渣剂中，混合物里各种物质的颗粒之间的空隙增加；
（5） 将步骤(4)处理过的混合物用压力机压制成形，减少混合物颗粒之间的空隙，从微观来讲，使每一粒固体硅颗粒的周围都分布有颗粒状的渣剂；
（6） 将步骤(5)压制出来的混合物压制品，用中频炉、高频炉以及太阳炉、激光或聚光LED加热, 使所述的混合物快速熔化，并发生充分的化学萃取反应；
（7） 将步骤(6)发生充分的化学反应的熔体里的硅液取出，冷却并与残渣分离，砸碎和酸洗以去除杂质，即可非常高效率的去除工业硅里的硼杂质；
所述的碱性金属化合物，单独使用或者混合使用CaO、 MgO、Na2O、K2O；
所述的膨化促进剂包括CaCO3、Na2CO3或MgCO3。
4.权利要求4
根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤(1)所述的酸洗，所用的酸是浓盐酸，或者浓硝酸，或者氢氟酸，或者王水；酸洗温度为60℃-80℃； 酸洗时间为1- 2小时；酸洗的过程中对所述的工业硅进行搅拌。
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