CN104556052B - 一种去除多晶硅中杂质的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种去除多晶硅中硼、磷等杂质的方法,包括以下步骤:以工业硅为原料,用有机溶剂清洗;将硅块破碎后,用碱性溶液浸泡;用300‑1000℃的氧气或含氧气的气体氧化;加入王水中搅拌处理;加入到氟化氢和氯化氢的混合水溶液中搅拌处理后分离即得。本发明提供的方法为后续工艺提供了优质原料,满足了生产低成本太阳能级多晶硅的需要,针对性强、流程简单、投资低、环境友好、操作安全、除杂效果明显。

Description

一种去除多晶硅中杂质的方法
技术领域:
本发明涉及多晶硅的纯化。
背景技术:
多晶硅是制备太阳能电池、各种硅分立器件和各种硅集成电路的基本原料,是发展太阳能产业和信息微电子产业的战略物资。由于常规能源的有限性,可再生能源尤其是太阳能行业发展迅速,导致太阳能电池用多晶硅的紧缺。为了使太阳能电池得到广泛应用,太阳能电池用硅必须能够以低成本大批量地生产。
一般地,在冶金工业中精炼硅时,利用金属元素的偏析系数明显小于1的性质,通过定向凝固可以除去金属杂质,但由于磷和硼的偏析系数为0.35和0.8,因此采用定向凝固除硼效果不好。另外还有以化学法生产太阳能电池硅,主要是西门子法技术,它是将与氯化氢气体反应生成三氯氢硅,将三氯氢硅气体反复蒸馏提纯后,通氢气还原出高纯硅。该方法是通过硅成分的变化过程而有效提纯去除硅中硼、磷等杂质。但是此方法成本高、耗电量大,设备复杂且投资大,还存在环境污染的危险。
相比之下,冶金法提纯多晶硅具有投资规模小、耗电低、无污染等优点,可实现多晶硅的低成本生产。因此,利用冶金法获得6N纯度多晶硅,生产低成本太阳能电池用多晶硅成为一项研究开发的重点技术。专利CN100372762C采用酸洗方法提纯多晶硅,但未对硅块进行针对性的破碎,影响去除效果;采用盐酸酸洗无法去除硅表面的氧化层,该氧化层阻止酸与硅附着杂质的反应,无法针对性的去除杂质铝。专利CN1105081C使用氧化气氛除去杂质硼、磷,但是用于除去300kg的工业硅耗电损失过大。
发明内容:
本发明的目的是根据现有技术的空缺和不足,提出一种规模小、耗电低、无污染的多晶硅除硼、磷杂质的方法。具体的说,是以工业硅为原料,通过湿法冶金技术,在不改变硅的成分的基础上,让硅中的杂质与化学试剂发生反应,从而有效去除硅中杂质的方法。
为达到上述目的,本发明的技术方案提供了一种去除多晶硅杂质的方法,包括以下步骤:
1)以工业硅为原料,用有机溶剂清洗。先采用有机溶剂清除硅块表面油脂、污迹、手印等肉眼可见杂质;
2)根据硅晶粒大小,破碎至合适的粒范围,用碱性溶液浸泡。在本发明的实施方式是利用扫描电镜观察硅晶粒大小,破碎至合适的粒范围。用强碱性溶液浸泡可以去除硅粉的氧化层以及杂质铝等;本发明的实施方式中,硅块在破碎前经打磨至大小形状相同,有利于让硅 块破碎后硅晶粒粒径大小一致。
3)用300-1000℃的氧气或含氧气的气体氧化。本发明的实施方式将硅粉多次清洗直至水溶液呈中性后烘干,置于高温容器中。
4)经过氧化过的硅粉加入王水中搅拌处理。一方面可以除去颗粒上的难溶金属杂质,另一方面可以防止后续加入HCl发生闪火闪爆等严重问题。
5)加入到氟化氢和氯化氢的混合水溶液中搅拌处理后分离即得。加入HF和HCl可以去除大部分游离Fe、Al、Ca等金属杂质。
其中,将硅块破碎至粒度大小为100-200目或破碎至硅晶粒的粒径为50-150μm。
根据上述技术方案提供的方法,在一些实施方式中,所述的有机溶剂选自十二烷基磺酸钠、乙醇、全氯乙烯、甲苯、乙醚、环氧乙烷或丙酮。
在一些实施方式中,所述的用有机溶剂清洗为依次用十二烷基磺酸钠、乙醇洗涤。
在一些实施方式中,所述的碱性溶液为5%—15%的氢氧化钾或氢氧化钠水溶液。
在一些实施方式中,所述的用碱性溶液浸泡为在60℃-100℃下浸泡0.5h-2.5h。
在一些实施方式中,用300-1000℃的氧气或含氧气的气体氧化时间为1-3h。
在一些实施方式中,加入王水中搅拌处理的时间为3-6h,温度为100-200℃。
在一些实施方式中,所述的氟化氢和氯化氢的混合水溶液中氯化氢浓度为3%-10%;氟化氢浓度为2%-5%。
在一些实施方式中,加入到氟化氢和氯化氢的混合水溶液中搅拌处理的时间为1-3h,温度为80-100℃。
在一些实施方式中,所述的分离包括过滤、洗涤和干燥。
具体的,在一些优选的实施方式中,可以采用如下方案:依次用用十二烷基磺酸钠、乙醇有机溶剂对硅块进行表面处理,球磨破碎的硅粉粒度范围为100目-200目,采用浓度为5%-15%的KOH或者NaOH在60℃-100℃的高温下浸泡0.5h-2.5h以去除硅粉的氧化层以及杂质铝,高温氧化温度保持在300-1000℃,氧化时间控制在1-3h,王水浸泡时间为3-6h,王水总量≤200mL,以没过硅粉表面为准。HF与HCl最好是采用纯化学纯酸,混酸配比为HF:HCL:H2O=1:1:10。用纯水多次清洗溶液至中性,得到纯度为99.9999%的硅材料。
本发明硅粉破碎的粒度按硅的晶粒大小而定,破碎到晶粒大小相配的量级可以有效的将杂质暴露在硅粒表面,便于以后除杂。通过强碱浸泡可以有效去除硅表面的氧化层和杂质元素铝。将HF与HCl的混酸放在最后工艺进行,可以有效去除之前工艺残留的杂质。与现有的多晶硅除硼、磷的方法相比,本发明具有针对性强、流程简单、投资低、环境友好、操作安全、除杂效果明显等优点。本发明专门为生产太阳能级多晶硅量身定做,针对性强,避免 了提纯后再掺入杂质的重复过程,降低了能耗、简化了流程。为多晶硅的生产提供了一种新的方法,实现环境效益、社会效益和经济效益三者统一,具有潜在的工业应用前景。
具体实施方案:
以下所述的是本发明的优选实施方式,本发明所保护的不限于以下优选实施方式。应当指出,对于本领域的技术人员来说在此发明创造构思的基础上,做出的若干变形和改进,都属于本发明的保护范围。
实施例1
以工业硅为原料,先用十二烷基磺酸钠、乙醇依次其进行表面处理。球磨、筛选,得到粒径为100目的硅粉。用浓度为5%的KOH在60℃下浸泡0.5h去除表面氧化层和杂质铝。用去离子水洗至溶液呈中性后烘干。将硅粉至于聚四氟乙烯烧杯中,进行高温氧化,控制氧化温度为300℃,氧化时间1h。冷却后取出硅粉,至于王水中浸泡3h,搅拌温度100℃。冷却后再次清洗硅粉至于浓度为2%HF与3%HCL的混合水溶液中于80℃下搅拌1h除去游离的金属杂质。经过去离子水清洗烘干得所需硅粉。
用ICP-MS检测处理前后硅粉中B、P杂质含量,结果见表1。
实施例2
以工业硅为原料,先用十二烷基磺酸钠、乙醇依次其进行表面处理。球磨、筛选,得到粒径为80目的硅粉。用浓度为8%的KOH在65℃下浸泡1h去除表面氧化层和杂质铝。用去离子水洗至溶液呈中性后烘干。将硅粉至于聚四氟乙烯烧杯中,进行高温氧化,控制氧化温度为450℃,氧化时间0.5h。冷却后取出硅粉,至于王水中浸泡3.5h,搅拌温度120℃。冷却后再次清洗硅粉至于浓度为2.5%HF与4%HCL的混合水溶液中于60℃下搅拌0.5h以除去游离的金属杂质。经过去离子水清洗烘干得所需硅粉。
用ICP-MS检测处理前后硅粉中B、P杂质含量,结果见表1。
实施例3
以工业硅为原料,先用十二烷基磺酸钠、乙醇依次其进行表面处理。球磨、筛选,得到粒径为120目的硅粉。用浓度为10%的KOH在70℃下浸泡1.25h去除表面氧化层和杂质铝。用去离子水洗至溶液呈中性后烘干。将硅粉至于聚四氟乙烯烧杯中,进行高温氧化,控制氧化温度为600℃,氧化时间1.5h。冷却后取出硅粉,至于王水中浸泡3.5h,搅拌温度140℃。冷却后再次清洗硅粉至于浓度为3%HF与6%HCL的混合水溶液中于70℃下搅拌1.5h除去游离的金属杂质。经过去离子水清洗烘干得所需硅粉。
用ICP-MS检测处理前后硅粉中B、P杂质含量,结果见表1。
实施例4
以工业硅为原料,先用十二烷基磺酸钠、乙醇依次其进行表面处理。球磨、筛选,得到粒径为160目的硅粉。用浓度为12%的KOH在80℃下浸泡1.5h去除表面氧化层和杂质铝。用去离子水洗至溶液呈中性后烘干。将硅粉至于聚四氟乙烯烧杯中,进行高温氧化,控制氧化温度为750℃,氧化时间2h。冷却后取出硅粉,至于王水中浸泡4h,搅拌温度160℃。冷却后再次清洗硅粉至于浓度为3.5%HF与6.5%HCL的混合水溶液中于90℃下搅拌2h除去游离的金属杂质。经过去离子水清洗烘干得所需硅粉。
用ICP-MS检测处理前后硅粉中B、P杂质含量,结果见表1。
实施例5
以工业硅为原料,先用十二烷基磺酸钠、乙醇依次其进行表面处理。球磨、筛选,得到粒径为180目的硅粉。用浓度为14%的KOH在90℃下浸泡2h去除表面氧化层和杂质铝。用去离子水洗至溶液呈中性后烘干。将硅粉至于聚四氟乙烯烧杯中,进行高温氧化,控制氧化温度为900℃,氧化时间2.5h。冷却后取出硅粉,至于王水中浸泡4.5h,搅拌温度180℃。冷却后再次清洗硅粉至于浓度为4%HF与8%HCL的混合水溶液中于100℃下搅拌2.5h除去游离的金属杂质。经过去离子水清洗烘干得所需硅粉。
用ICP-MS检测处理前后硅粉中B、P杂质含量,结果见表1。
实施例6
以工业硅为原料,先用十二烷基磺酸钠、乙醇依次其进行表面处理。球磨、筛选,得到粒径为200目的硅粉。用浓度为15%的KOH在100℃下浸泡2.5h去除表面氧化层和杂质铝。用去离子水洗至溶液呈中性后烘干。将硅粉至于聚四氟乙烯烧杯中,进行高温氧化,控制氧化温度为1000℃,氧化时间3h。冷却后取出硅粉,至于王水中浸泡6h,搅拌温度200℃。冷却后再次清洗硅粉至于浓度为5%HF与10%HCL的混合水溶液中于100℃下搅拌3h除去游离的金属杂质。经过去离子水清洗烘干得所需硅粉。
用ICP-MS检测处理前后硅粉中B、P杂质含量,结果见表1。
表1实施例1-6的测试结果。

Claims (7)

1.一种去除多晶硅中杂质的方法,其特征在于,包括以下步骤:以工业硅为原料,用有机溶剂清洗;将硅块破碎后,用碱性溶液浸泡;用300-1000℃的氧气或含氧气的气体氧化;加入王水中搅拌处理;加入到氟化氢和氯化氢的混合水溶液中搅拌处理后分离即得;
其中,将硅块破碎至粒度大小为100-200目或破碎至硅晶粒的粒径为50-150μm;
所述的碱性溶液为5%-15%的氢氧化钾或氢氧化钠水溶液;
所述的用碱性溶液浸泡为在60℃-100℃下浸泡0.5h-2.5h。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述的有机溶剂选自乙醇、全氯乙烯、甲苯、乙醚、环氧乙烷或丙酮。
3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,用300-1000℃的氧气或含氧气的气体氧化时间为1-3h。
4.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,加入王水中搅拌处理的时间为3-6h,温度为100-200℃。
5.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述的氟化氢和氯化氢的混合水溶液中氯化氢浓度为3%-10%;氟化氢浓度为2%-5%。
6.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,加入到氟化氢和氯化氢的混合水溶液中搅拌处理的时间为1-3h,温度为80-100℃。
7.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述的分离包括过滤、洗涤和干燥。
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