CN111333073A - 一种从高硅铝合金中获得块体硅的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种从高硅铝合金中获得块体硅的方法，属于太阳能级多晶硅技术领域。在采用感应加热区域熔炼实现初生硅分离的基础上，去除铝富集部分后再次区熔，经过多次区域熔炼，硅在试样底部的富集程度逐渐提高，最终便能获得块体硅；具体为采用工业硅和工业铝为原料，制备铝硅合金铸锭，采用区域熔炼工艺对铸锭进行感应加热区域熔炼。区熔结束后取出试样，截取试样底部的初生硅富集部分再次区熔以获得更加致密的初生硅，最终获得块体硅。本发明通过区域熔炼从铝硅合金中获得块体硅，解决了合金凝固精炼分离硅时夹杂较多铝的问题，实现了初生硅高效分离的同时直接获得块体硅。
Description
技术领域
本发明涉及一种从高硅铝合金中获得块体硅的方法，属于太阳能级多晶硅技术领域。
背景技术
太阳能级多晶硅是硅太阳能电池的主要原料，其制备方法一直是太阳能领域的研究重点。利用冶金硅直接制备太阳能级多晶硅的众多方法中，Al-Si合金凝固精炼法因具有熔炼温度低、除杂效率高等优点，而受到了广泛关注。但是固态Al-Si合金中初生硅是弥散分布的，硅回收难，回收效率不高。如何分离及提高初生硅的回收效率，是合金凝固精炼法亟待解决的问题。
目前采用感应加热固定交变磁场，旋转磁场，超重力等技术从Al-Si合金中分离硅。这些技术能够有效将初生硅从熔体中分离并聚集，但是初生硅晶体间会夹带大量的铝，仍需酸洗等比较繁琐的步骤才能获得初生硅。另外，这些技术都是依靠外力使富硅熔体迁移至试样的相应位置，凝固后实现初生硅与熔体的分离。因为样品仅能熔化一次，初生硅富集程度难以控制，而通过一次实验获得块体硅的难度很大，因此初生硅富集部分往往夹带较多的铝。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于一种从高硅铝合金中获得块体硅的方法，通过区域熔炼从铝硅合金中获得块体硅，解决了合金凝固精炼过程中分离硅时夹杂铝较多的问题，具体包括以下步骤：
(1)将铝和硅在感应电炉中熔化为铝硅合金溶液，铝硅合金溶液中硅的质量百分含量为30％-80％，将铝硅合金溶液浇铸为圆柱状铸锭。
(2)将圆柱状铸锭置于石墨坩埚中，进行感应加热区域熔炼；感应加热区域熔炼真空度小于10Pa，区域熔炼功率控制在6KW-10KW，区域熔炼温度控制在800℃-1350℃，区域熔炼速度为1mm/min-10mm/min。
(3)区域熔炼结束后，从试样底部截取40％-50％的初生硅富集部分，将截取的部分放入石墨坩埚中，进行感应加热区域熔炼，区域熔炼功率控制在8KW-10KW熔炼温度为1150℃-1414℃，区熔速度为1mm/min-5mm/min。
(4)重复步骤(3)2次以上，硅在试样底部的富集程度逐渐提高，最终获得块体硅。
优选的，本发明步骤(1)中圆柱状铸锭的直径为10-100mm，实际生产中试样的直径和长度可随实际情况扩大或延长，适用于规模化生产。
本发明的原理：本发明采用区域熔炼工艺对Al和Si进行分离并形成块体硅；因为Al和Si在液相中无限互溶，而Al在固态Si中的溶解度几乎为零，因此本发明通过区熔实现初生硅和铝的分离；当熔体温度达到共晶温度时，过共晶成分的铝硅合金可以分离为初生硅和共晶硅熔体；由于区域熔炼是单向凝固的，先凝固部分将会含有更低含量的铝，经过多次的感应加热区域熔炼，便能直接从熔体中获得块体硅；另外，感应加热区域熔炼工艺具有工艺简单，设备要求低，试样的直径和长度可按实际情况扩大或延长等优点，易实现规模量化生产。
本发明的有益效果是：
(1)本发明所述方法通过控制区熔速度和熔炼次数等条件实现从熔体中获得块体硅，具有工艺简单，设备要求低，试样可延长等优点，易实现规模量化生产等优点。
(2)本发明所述方法采用区域熔炼工艺，能在试样底部获得块体硅，能有效降低初生硅富集区夹杂的铝。
附图说明
图1.a为实施例1制备的铝硅合金铸锭的纵截面形貌；b为纵截面内初生硅形貌。
图2.a为实施例1中铝硅合金区域熔炼一次后凝固试样的纵截面形貌；b为试样底部的初生硅形貌。
图3为实施例2中通过对初生硅富集区部分再次区熔一次后凝固试样的纵截面显微形貌。
图4为实施例2中通过对初生硅富集区部分再次区熔两次后凝固试样的纵截面显微形貌。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。
实施例1
一种从高硅铝合金中获得块体硅的方法，具体包括以下步骤：
(1)按Al-45wt％Si合金成分称取工业硅(纯度95％)和纯铝(纯度为99％)，利用感应加热熔炼炉进行熔炼，熔炼后浇铸为直径10mm的棒状铸锭，铸锭的纵截面形貌见图1，由图1可以看出，板条状的初生硅弥散分布在试样截面内。
(2)将棒状铸锭置于石墨坩埚中，进行感应加热区域熔炼；感应加热区域熔炼真空度小于10Pa，区域熔炼功率为6KW，区熔温度控制在1050±50℃，区熔速度为5mm/min。所得试样的纵截面形貌如图2所示，由图2.a可以看出，经过一次区域熔炼，柱状初生硅富集于试样底部；试样底部的初生硅形貌见图2.b，初生硅夹杂较多的铝。
(3)待实验结束，关闭电源和伺服电机，等待10min，待坩埚温度降低；打开区域熔炼感应炉取出合金试样，利用线切割机沿试样中部切开。
(4)取步骤(3)中试样的下半部分两根装于石墨坩埚中，进行感应加热区域熔炼；感应加热真空度小于10Pa，区域熔炼功率为8KW，区域熔炼温度控制在1200±50℃，区熔速度为5mm/min，重复步骤(3)-(4)2次，待实验结束，关闭电源和伺服电机，等待10min，待坩埚温度降低；打开区域熔炼感应炉取出合金试样；利用线切割机沿试样的纵截面切开，打磨，抛光后，利用光学显微镜拍摄试样底部显微形貌如图3所示，从图3中可以看出初生硅致密度大大提高，试样底部存在明显可见的块体硅；
实施例2
一种从高硅铝合金中获得块体硅的方法，具体包括以下步骤：
(1)按Al-45wt％Si合金成分称取工业硅(纯度95％)和纯铝(纯度为99％)，利用感应加热熔炼炉进行熔炼，熔炼后浇铸为直径50mm的棒状铸锭。
(2)将棒状铸锭置于石墨坩埚中，进行感应加热区域熔炼；感应加热区域熔炼真空度小于10Pa，区域熔炼功率为6KW，区熔温度控制在1050±50℃，区熔速度为3mm/min。
(3)待实验结束，关闭电源和伺服电机，等待10min，待坩埚温度降低；打开区域熔炼感应炉取出合金试样，利用线切割机沿试样中部切开。
(4)取步骤(3)中试样的下半部分两根装于石墨坩埚中，进行感应加热区域熔炼。感应加热真空度小于10Pa，区熔功率为8KW，区域熔炼温度控制在1200±50℃，区熔速度为3mm/min；并重复步骤(3)-(4)4次。
(5)待实验结束，关闭电源和伺服电机，等待10min，待坩埚温度降低；打开区域熔炼感应炉取出合金试样；利用线切割机沿试样的纵截面切开，打磨，抛光后，利用光学显微镜拍摄试样底部显微形貌如图4所示；从图中可以看出初生硅致密度大大提高，试样底部存在明显可见的块体硅。
实施例3
一种从高硅铝合金中获得块体硅的方法，具体包括以下步骤：
(1)按Al-65wt％Si合金成分称取工业硅(纯度95％)和纯铝(纯度为99％)，利用感应加热熔炼炉进行熔炼，熔炼后浇铸为直径10mm的棒状铸锭。
(2)将棒状铸锭置于石墨坩埚中，进行感应加热区域熔炼；感应加热区域熔炼真空度小于10Pa，区熔功率为8KW，区熔温度控制在1300℃±50℃，区熔速度为5mm/min。
(3)待实验结束，关闭电源和伺服电机，等待10min，待坩埚温度降低；打开区域熔炼感应炉取出合金试样，利用线切割机沿试样中部切开。
(4)取步骤(3)中试样的下半部分两根装于石墨坩埚中，进行感应加热区域熔炼；感应加热真空度小于10Pa，区熔功率为10KW，区域熔炼温度控制在1400℃，区熔速度为2mm/min，并重复步骤(3)-(4)3次。
(5)待实验结束，关闭电源和伺服电机，等待10min，待坩埚温度降低；打开区域熔炼感应炉取出合金试样；利用线切割机沿试样的纵截面切开，打磨，抛光后，试样下半部分可见块体硅，且较实施例1和2中的块体硅，其初生硅致密度大大提高。
Claims (3)
1.一种从高硅铝合金中获得块体硅的方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
(1)将铝和硅在感应电炉中熔化为铝硅合金溶液，将铝硅合金溶液浇铸为圆柱状铸锭；
(2)将圆柱状铸锭置于石墨坩埚中，进行感应加热区域熔炼；感应加热区域熔炼真空度小于10Pa，区域熔炼功率控制在6KW-10KW，区域熔炼温度控制在800℃-1350℃，区域熔炼速度为1mm/min-10mm/min；
(3)区域熔炼结束后，从试样底部截取40％-50％的初生硅富集部分，将截取的部分放入石墨坩埚中，进行感应加热区域熔炼，区熔功率为8KW-10KW，熔炼温度为1150℃-1414℃，区熔速度为1mm/min-5mm/min；
(4)重复步骤(3)一次以上，硅在试样底部的富集程度逐渐提高，最终获得块体硅。
2.根据权利要求1所述从高硅铝合金中获得块体硅的方法，其特征在于：步骤(1)中圆柱状铸锭的直径为10-100mm。
3.根据权利要求1所述从高硅铝合金中获得块体硅的方法，其特征在于：步骤(1)中铝硅合金溶液中硅的质量百分含量为30％-80％。
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