CN109850904A - 利用半固态法提高合金法提纯多晶硅收率的方法 - Google Patents

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利用半固态法提高合金法提纯多晶硅收率的方法为配置提纯原料，将铝硅原料按照Al‑50wt%Si进行配比作为提纯原料；将提纯原料倒入反应炉中，通入氩气和氢气的混合气体，氩气与氢气的体积比为100:4，以将反应炉中的空气排出；按照8℃/min的速度提高反应炉的温度，直至反应炉中的温度升高至1450℃，并按照预定速度通入步骤S002中氩气和氢气的混合气体，以使反应炉维持惰性的气体环境；提纯原料在1450℃的条件下保温2h，然后按照8℃/min的速度进行降温至600℃，然后自然冷却至室温；对冷却至室温的提纯原料进行半固态处理，具体为提纯原料在室温时，按照20℃/s的速度升温至硅和铝的共晶温度以上，然后保温5～25min；自然冷却至室温，然后酸洗得到提纯后的多晶硅。

Description

利用半固态法提高合金法提纯多晶硅收率的方法
技术领域
本发明涉及多晶硅提纯技术领域，尤其涉及一种利用半固态法提高合金法提纯多晶硅收率的方法。
背景技术
晶硅类太阳能电池占整个光伏市场的份额达到90%以上。太阳能级多晶硅是光伏发电的主要原材料。合金法提纯是一种新的生产方法，相比传统的化学法、物理法等具有低能耗、低成本、环境友好、工序简单等优点。在二元合金法提纯体系中作为添加溶剂的有Al、Sn、Cu、Na、Fe、Ga、Zn等，以及三元合金体系有Al-Si-Sn、Al-Si-Cu等。其中Al-Si体系研究和应用最为广泛。其提纯过程大致可以描述为：将适宜的金属元素与冶金硅合金化，然后以一定的速率冷却，使冶金硅原料进行一次重结晶，由于杂质在熔体与多晶硅中的分凝系数不同，杂质留在熔体中，进而获得高纯的太阳能级硅。Al-Si合金提纯体系的研究集中于杂质去除机理以及多晶硅原料的回收。目前为止，理论回收值最高可达86%（在Al-50wt%Si比例进行合金熔炼），在此情况下，损失依然是个不容忽视的问题，因此进一步提高多晶硅的回收率也是限制该提纯体系大范围应用的关键因素之一。初晶的主要损失在于，一部分硅原子与溶剂金属形成共晶组织，难以分离。即便硅原子与溶剂能够分离，分离成本也会比较高。此外，还有一部分损失在于生长条件本身限制，许多多晶硅难以充分生长，尺寸较小而难以收集。目前，现有技术主要通过超重力沉降、离心分离、电磁感应熔炼聚集等方式来使多晶硅充分生长，提高收率，但这些方法对于设备的要求较高，也导致提高收率的成本较高。
发明内容
有鉴于此，有必要提出一种利用半固态法提高合金法提纯多晶硅收率的方法。
一种利用半固态法提高合金法提纯多晶硅收率的方法包括以下步骤：
步骤S001，配置提纯原料，将铝硅原料按照Al-50wt%Si进行配比作为提纯原料；
步骤S002，将提纯原料倒入反应炉中，通入氩气和氢气的混合气体，氩气与氢气的体积比为100:4，以将反应炉中的空气排出，防止铝和硅在高温状态下被空气氧化；
步骤S003，按照8℃/min的速度提高反应炉的温度，直至反应炉中的温度升高至1450℃，并按照预定速度通入步骤S002中氩气和氢气的混合气体，以使反应炉维持惰性的气体环境；
步骤S004，提纯原料在1450℃的条件下保温2h，然后按照8℃/min的速度进行降温至600℃，然后自然冷却至室温；
步骤S005，对冷却至室温的提纯原料进行半固态处理，具体为提纯原料在室温时，按照20℃/s的速度升温至硅和铝的共晶温度以上，然后保温5～25min;
步骤S006，对经过步骤S005保温后的提纯原料自然冷却至室温，然后酸洗得到提纯后的多晶硅。
有益效果：本发明的利用半固态法提高合金法提纯多晶硅收率的方法与现有技术相比，多晶硅的平均长度、宽度以及收率都有提高，同时多晶硅中的小晶粒出现了溶解并依附到大晶粒中，如此，有利于酸洗后的多晶硅的回收，更加有利于多晶硅收率的提高。
附图说明
图1为实施例1中的热处理工艺温度曲线图。
图2为实施例1中600℃热处理5min后晶粒形貌变化图。
图3为实施例2中600℃热处理25min后晶粒形貌变化图。
具体实施方式
通常合金法提纯多晶硅的热处理过程包括：合金化、降温重结晶、酸洗、分离多晶硅。本发明提供了一种半固态热处理的工艺：
一种利用半固态法提高合金法提纯多晶硅收率的方法包括以下步骤：
步骤S001，配置提纯原料，将铝硅原料按照Al-50wt%Si进行配比作为提纯原料；
步骤S002，将提纯原料倒入反应炉中，通入氩气和氢气的混合气体，氩气与氢气的体积比为100:4，以将反应炉中的空气排出，防止铝和硅在高温状态下被空气氧化；
步骤S003，按照8℃/min的速度提高反应炉的温度，直至反应炉中的温度升高至1450℃，并按照预定速度通入步骤S002中氩气和氢气的混合气体，以使反应炉维持惰性的气体环境；
步骤S004，提纯原料在1450℃的条件下保温2h，然后按照8℃/min的速度进行降温至600℃，然后自然冷却至室温；
步骤S005，对冷却至室温的提纯原料进行半固态处理，具体为提纯原料在室温时，按照20℃/s的速度升温至硅和铝的共晶温度以上，然后保温5～25min；
步骤S006，对经过步骤S005保温后的提纯原料自然冷却至室温，然后酸洗得到提纯后的多晶硅。
进一步的，在步骤S005中，提纯原料冷却至室温时，按照20℃/s的速度升温至600℃，然后保温5～25min。
进一步的，在步骤S005中，提纯原料冷却至室温时，按照20℃/s的速度升温至硅和铝的共晶温度以上，然后保温25min。
以下将结合具体实施例以及效果予以说明。
实施例1：配置提纯原料，将铝硅原料按照Al-50wt%Si进行配比作为提纯原料；将提纯原料倒入反应炉中，通入氩气和氢气的混合气体，氩气与氢气的体积比为100:4，以将反应炉中的空气排出，防止铝和硅在高温状态下被空气氧化；请参看图1，将提纯原料按照8℃/min的速度提高反应炉的温度，直至反应炉中的温度升高至1450℃，并按照预定速度通入氩气和氢气的混合气体，以使反应炉维持惰性的气体环境；提纯原料在1450℃的条件下保温2h，然后按照8℃/min的速度进行降温至600℃，然后自然冷却至室温；对冷却至室温的提纯原料进行半固态处理，具体为提纯原料在室温时，按照20℃/s的速度升温至600℃，然后保温5min；对保温后的提纯原料自然冷却至室温，然后酸洗得到提纯后的多晶硅。
对合金化后铸锭600℃半固态热处理5min后进行分析，统计的其纵截面晶粒尺寸和初晶的收率变化如表1所示。可以看出，经过600℃热处理5min后，多晶硅的平均长度和宽度均有略微的增加，并且多晶硅的收率增加了3.1%。图2为金相显微镜20倍放大倍率下拍摄的形貌照片，可以看出，半固态处理5min之后，小晶粒出现了溶解并依附到大晶粒中，如此，有利于酸洗后的多晶硅的回收，更加有利于多晶硅收率的提高。
表1 实施例1中600℃热处理5min后晶粒尺寸变化及收率变化
样品 晶粒平均长度 晶粒平均宽度 多晶硅收率
无半固态处理 2.9571mm 0.6102mm 84%
600℃-5min 2.9890mm 0.6147mm 87.1%
实施例2：配置提纯原料，将铝硅原料按照Al-50wt%Si进行配比作为提纯原料；将提纯原料倒入反应炉中，通入氩气和氢气的混合气体，氩气与氢气的体积比为100:4，以将反应炉中的空气排出，防止铝和硅在高温状态下被空气氧化；将提纯原料按照8℃/min的速度提高反应炉的温度，直至反应炉中的温度升高至1450℃，并按照预定速度通入氩气和氢气的混合气体，以使反应炉维持惰性的气体环境；提纯原料在1450℃的条件下保温2h，然后按照8℃/min的速度进行降温至600℃，然后自然冷却至室温；对冷却至室温的提纯原料进行半固态处理，具体为提纯原料在室温时，按照20℃/s的速度升温至600℃，然后保温25min；对保温后的提纯原料自然冷却至室温，然后酸洗得到提纯后的多晶硅。
对合金化后铸锭600℃半固固态热处理25min后进行分析，统计的其纵截面晶粒尺寸和初晶的收率变化如表2所示。可以看出，经过600℃热处理25min后，多晶硅的收率增加了3.6%。图3为金相形貌照片，可以看出，600℃半固态处理25min之后，小晶粒有明显的溶解并依附到大晶粒中，如此，有利于酸洗后的多晶硅的回收，更加有利于多晶硅收率的提高。
表2 实施例2中600℃热处理25min后晶粒尺寸变化及收率变化
样品 晶粒平均长度 晶粒平均宽度 多晶硅收率
无半固态处理 2.9571mm 0.6102mm 84%
600℃-25min 2.9762mm 0.6163mm 87.61%
以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。

Claims (3)

1.一种利用半固态法提高合金法提纯多晶硅收率的方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤S001，配置提纯原料，将铝硅原料按照Al-50wt%Si进行配比作为提纯原料；
步骤S002，将提纯原料倒入反应炉中，通入氩气和氢气的混合气体，氩气与氢气的体积比为100:4，以将反应炉中的空气排出，防止铝和硅在高温状态下被空气氧化；
步骤S003，按照8℃/min的速度提高反应炉的温度，直至反应炉中的温度升高至1450℃，并按照预定速度通入步骤S002中氩气和氢气的混合气体，以使反应炉维持惰性的气体环境；
步骤S004，提纯原料在1450℃的条件下保温2h，然后按照8℃/min的速度进行降温至600℃，然后自然冷却至室温；
步骤S005，对冷却至室温的提纯原料进行半固态处理，具体为提纯原料在室温时，按照20℃/s的速度升温至硅和铝的共晶温度以上，然后保温5～25min；
步骤S006，对经过步骤S005保温后的提纯原料自然冷却至室温，然后酸洗得到提纯后的多晶硅。
2.如权利要求1所述的利用半固态法提高合金法提纯多晶硅收率的方法，其特征在于：在步骤S005中，提纯原料冷却至室温时，按照20℃/s的速度升温至600℃，然后保温5～25min。
3.如权利要求1所述的利用半固态法提高合金法提纯多晶硅收率的方法，其特征在于：在步骤S005中，提纯原料冷却至室温时，按照20℃/s的速度升温至硅和铝的共晶温度以上，然后保温25min。
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