CN102040221A - 一种金属硅的提纯方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及硅材料冶炼领域，公开了一种金属硅的提纯方法，包括步骤：一：粉碎，二：酸洗、清洗，三：等离子体火焰处理，四：冷却。在等离子提纯的过程中杂质会向硅颗粒表面扩散，通过进一步的酸洗、等离子提纯，就可以将工业硅的纯度不断提高直到达到太阳能级的要求。本发明取得了简化设备和工艺、降低能耗和生产成本的有益效果。

Description

一种金属硅的提纯方法
技术领域
本发明属于硅材料冶炼领域，特别涉及一种金属硅的提纯方法。
背景技术
世界上大约95％的光伏产品采用单晶硅，非晶硅和薄膜硅。硅原料的质量及成本在光伏行业中的地位举足轻重。
目前，世界上绝大多数的生产厂家，都是利用HCl气体处理技术生产多晶硅的，Siemens工艺过程中将化学沉积法得到的硅沉积到金属丝上，生产效率和尾气回收率较低，美国的Ethyl’s公司利用硫化床技术以H2还原硅烷制备得到了直径为700μm的高纯硅产品，提高了尾气的回收率，过程的能量消耗也仅为Siemens技术的1/10。美国的Schumacher公司开发了在硫化床反应器内沉积SiHBr3工艺，金属硅和H2及SiBr4反应生成SiB4和SiHBr3的混合物，SiHBr3在800℃下可分解得到太阳能级硅，该过程的能耗仅为Siemens方法的1/5，设备投资约为只有50％。采用改良西门子法生产多晶硅，仍然存在着成本较高的问题，而且这种硅原料受半导体产业影响，供应不稳定，数量也很有限。
太阳能级多晶硅的纯度要求远远低于电子级多晶硅，采用昂贵的西门子法生产的多晶硅生产太阳能电池大大增加太阳能电池的成本和推广的难度。于是世界各国都展开了低成本的太阳能级多晶硅生产技术的研究。
日本川崎制铁株式会社申请专利CN1204298(公开日：1999年1月6日)，是以金属硅或者氧化硅为起始原料，通过电子束真空熔炼，氧化精炼和定向凝固这一系列工艺，生产出太阳能级多晶硅。但是工艺步骤繁多，设备昂贵，生产的效率较低，生产成本很高。
中国专利CN1873062(公开日：2006年12月6日和CN1935647(公开日：2007年3月28日)公开了通过向坩锅中的硅液吹等离子体和定向凝固以及真空熔炼除P，最后得到P型的太阳能级多晶硅。但是这种方法由于受到熔体上表面表面积的限制和杂质在硅熔体内扩散速度的限制使得提纯的速率较慢，并且经过两次熔化两次凝固使得每公斤能耗较高，不利于节能减排。
发明内容
为了解决现有技术的工艺步骤繁多、设备昂贵、生产效率低、生产成本高等问题，本发明的目的在于提供一种金属硅的提纯方法。利用本发明，不但达到太阳能级多晶硅的纯度要求，而且简化了设备和工艺流程，降低了能耗和生产成本。
为了达到上述发明目的，本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是提供一种金属硅的提纯方法，包括如下步骤：
步骤一：粉碎，
将工业硅粉碎到300目；
步骤二：酸洗、清洗，
用氢氟酸、硝酸、去离子水配成的溶液对硅粉进行浸泡，然后用去离子水清洗；
步骤三：等离子体火焰处理，
将硅粉通过感应等离子体进行火焰处理；
步骤四：冷却，
将硅粉急速冷却；
重复上述步骤二到三，直到硅粉达到太阳能级所要求的纯度。
上述步骤二，其酸洗过程包括：将金属硅粉末先用沸腾的热盐酸浸泡，然后再用10％氢氟酸在常温下浸泡。
上述步骤三：等离子体火焰处理，进一步包括：金属硅粉末从等离子炬的线圈中间位置被导入，粉末在等离子火焰中的飞行时间在几个毫秒的量级；在粉末被熔化成小液滴并离开等离子火焰中心后，这些液滴急速冷却并且被收集到一个通有冷却水的收集器中。
然后，将上述步骤三收集到的金属硅粉末再进行步骤二、酸洗，包括：用沸腾的热盐酸浸泡两小时，清洗后再用常温的氢氟酸浸泡24小时，最后将硅粉清洗干净后在摄氏105度干燥。
本发明一种金属硅的提纯方法，由于采取上述的技术方案，包括以粉碎、酸洗、等离子提纯等主要步骤。在等离子提纯的过程中杂质会向硅颗粒表面扩散，通过进一步的酸洗、等离子提纯就可以将工业硅的纯度不断提高直到达到太阳能级的要求。因此，本发明取得了简化设备和工艺、降低能耗和生产成本等有益效果。
附图说明
图1是本发明金属硅提纯方法的流程图；
图2为等离子体火焰处理装置的结构示意图。
其中：1为感应线圈，2为等离子火焰，3为真空室，4为收集器，5为硅粉，6为等离子炬。
具体实施方式
下面结合附图说明本发明的优选实施例。图1是本发明金属硅提纯方法的流程图，该方法包括如下的步骤：
步骤一：粉碎，
将工业硅粉碎到300目；
步骤二：酸洗、清洗，
用氢氟酸、硝酸、去离子水配成的溶液对硅粉进行浸泡，然后用去离子水清洗；酸洗过程包括用沸腾的盐酸和常温的氢氟酸分两步酸洗。
步骤三：等离子体火焰处理，
将硅粉通过感应等离子体火焰处理。
步骤四：冷却，
将硅粉急速冷却，在硅粉从高温冷却的过程中杂质会向表面聚集；
重复上述步骤二到三，直到达到太阳能级所要求的纯度。
上述金属硅粉末可以直接从市场购买或者购买金属硅进行粉碎。硅粉末的平均粒径小于120微米。
上述步骤二，金属硅粉末的酸洗主要分为两个步骤。金属硅粉末先用沸腾的热盐酸浸泡，然后在用氢氟酸(10％)在常温下浸泡。
上述步骤三等离子体火焰处理过程中，把经过酸洗和干燥后的硅粉通过载气携带通过感应等离子体的放电区域。在通过放电区时硅粉表面会被熔化以便让杂质挥发，另外体内的杂质会向硅粉表面扩散。
图2为等离子体火焰处理装置的结构示意图。该装置包括：一个真空室3，其顶部设置有一个等离子炬6，等离子炬6的外围绕有感应线圈1，感应线圈1接通射频等离子电源后，等离子炬6向真空室3内喷出等离子火焰2，硅粉5从等离子火焰2中间，也就是感应线圈1的中心区域通过，再下落到具有水冷装置的收集器4中。
本发明实施例中，等离子炬6的直径为35毫米、射频等离子电源功率为30千瓦，频率为2-5兆赫兹。等离子炬6中设有三路气体。这三路气体的主要成分是氩气，但是也会在其中混入少量的氢气以提高反应活性。
金属硅粉末从等离子炬的线圈中间位置被导入。粉末在等离子火焰中的飞行时间在几个毫秒的量级。这段时间足够融化120微米左右的硅粉末。在粉末被熔化成小液滴并离开等离子火焰中心后，这些液滴急速冷却并且被收集到一个通有冷却水的收集器中。
将收集到的金属硅粉末再进行与前述步骤相同的酸洗工艺。用沸腾的热盐酸浸泡两小时左右，清洗后再用常温的氢氟酸浸泡24小时。最后将硅粉清洗干净后在摄氏105度左右干燥。然后，再重复等离子处理和酸洗处理两个步骤，直到达到太阳能级要求的纯度。
下面结合实施例，对本发明的方法作进一步描述。
实施例1；
在进行上述步骤二的过程中，取50克金属硅粉，将硅粉放入装有50毫升盐酸的烧杯中。然后将混合液加热到沸腾并且在沸腾状态下保持1小时。然后将混合液中的硅粉滤出并用去离子水彻底的清洗。这个过程的硅损失量小于1％。
然后将取得的硅粉加入100毫升的氢氟酸(10％)中并在室温下浸泡12小时。然后将混合液中的硅粉滤出并用去离子水清洗干净，最后在摄氏100度进行干燥。这个过程的硅损失量小于2％。
在进行上述步骤三的过程中，经过酸洗和干燥的金属硅粉从等离子放电的中心部位被导入。等离子体的主要参数如下：
  功率   30KW
  频率   5MHz
  加料速率   10g/min
  氩气流量   130L/min
  氢气流量   5L/min
等离子处理的时间在15分钟左右。通过辉光放电质谱仪的检测证明硅的纯度已经3N以上。然后再进行一次同样的酸洗和等离子处理，硅的纯度已经达到6N。
实例2
在进行上述步骤二的过程中，取60克金属硅粉，将硅粉放入装有50毫升盐酸的烧杯中。然后将混合液加热到沸腾并且在沸腾状态下保持1.2小时。然后将混合液中的硅粉滤出并用去离子水彻底的清洗。这个过程的硅损失量小于1％。
然后将取得的硅粉加入100毫升的氢氟酸(10％)中并在室温下浸泡13小时。然后将混合液中的硅粉滤出并用去离子水清洗干净，最后在摄氏100度进行干燥。这个过程的硅损失量小于2％。
在进行上述步骤三的过程中，经过酸洗和干燥的金属硅粉从等离子放电的中心部位被导入。等离子体的主要参数如下：
  功率   32KW
  频率   5MHz
  加料速率   10g/min
  氩气流量   140L/min
  氢气流量   5L/min
等离子处理的时间在15分钟左右。通过辉光放电质谱仪的检测证明硅的纯度已经3N以上。然后再进行一次同样的酸洗和等离子处理，硅的纯度已经达到6N。
实例3
在进行上述步骤二的过程中，取100克金属硅粉，将硅粉放入装有100毫升盐酸的烧杯中。然后将混合液加热到沸腾并且在沸腾状态下保持1小时。然后将混合液中的硅粉滤出并用去离子水彻底的清洗。这个过程的硅损失量小于1％。
然后将取得的硅粉加入200毫升的氢氟酸(10％)中并在室温下浸泡12小时。然后将混合液中的硅粉滤出并用去离子水清洗干净，最后在摄氏100度进行干燥。这个过程的硅损失量小于2％。
在进行上述步骤三的过程中，经过酸洗和干燥的金属硅粉从等离子放电的中心部位被导入。等离子体的主要参数如下：
  功率   40KW
  频率   5MHz
  加料速率   10g/min
  氩气流量   150L/min
  氢气流量   5L/min
等离子处理的时间在30分钟左右。通过辉光放电质谱仪的检测证明硅的纯度已经3N以上。然后再进行一次同样的酸洗和等离子处理，硅的纯度已经达到6N。

Claims (6)

1.一种金属硅的提纯方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
步骤一：粉碎，
将工业硅粉碎到300目；
步骤二：酸洗、清洗，
用氢氟酸、硝酸、去离子水配成的溶液对硅粉进行浸泡，然后用去离子水清洗；
步骤三：等离子体火焰处理，
将硅粉通过感应等离子体进行火焰处理；
步骤四：冷却，
将硅粉急速冷却；
重复上述步骤二到三，直到硅粉达到太阳能级所要求的纯度。
2.如权利要求1所述的金属硅提纯方法，其特征在于：所述的步骤二，其酸洗过程包括：将金属硅粉末先用沸腾的热盐酸浸泡，然后再用10％氢氟酸在常温下浸泡。
3.如权利要求1或2所述的金属硅提纯方法，其特征在于：在进行所述步骤二的过程中，取50～100克金属硅粉，将硅粉放入装有50～100毫升盐酸的烧杯中，然后将混合液加热到沸腾并且在沸腾状态下保持1～1.2小时；然后将混合液中的硅粉滤出并用去离子水彻底的清洗；
然后将取得的硅粉加入100～200毫升的10％氢氟酸中并在室温下浸泡12～13小时；然后将混合液中的硅粉滤出并用去离子水清洗干净，最后在摄氏100度进行干燥。
4.如权利要求1所述的金属硅提纯方法，其特征在于：在进行所述的步骤三：等离子体火焰处理过程中，金属硅粉末从等离子炬的线圈中间位置被导入，粉末在等离子火焰中的飞行时间在几个毫秒的量级；在粉末被熔化成小液滴并离开等离子火焰中心后，这些液滴急速冷却并且被收集到一个通有冷却水的收集器中。
5.如权利要求4所述的金属硅提纯方法，其特征在于：将所述步骤三收集到的金属硅粉末再进行步骤二、酸洗，包括：用沸腾的热盐酸浸泡两小时，清洗后再用常温的氢氟酸浸泡24小时，最后将硅粉清洗干净后在摄氏105度干燥。
6.如权利要求1或4所述的金属硅提纯方法，其特征在于：在进行所述步骤三的过程中，所述的等离子体的主要参数如下：
  功率   30～40KW   频率   5MHz   加料速率   10g/min   氩气流量   130～150L/min 氢气流量 5L/min
等离子处理的时间为15～30分钟；通过辉光放电质谱仪的检测证明硅的纯度已经3N以上；然后再进行一次同样的酸洗和等离子处理，直至硅的纯度达到6N。
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