CN112811427B - 一种基于超细氮化物转化-净化冶金硅中杂质硼的方法 - Google Patents
一种基于超细氮化物转化-净化冶金硅中杂质硼的方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于超细氮化物转化‑净化冶金硅中杂质硼的方法,属于冶金、材料技术领域。本发明的一种基于超细氮化物转化‑净化冶金硅中杂质硼的方法,将纳米级的氮化物粉末加入硅熔体中,纳米级氮化物粉末对硅中杂质硼进行吸附、氮化处理,之后将反应后的上述硅熔体进行电磁净化,进而将电磁净化后得到的周围包含氮化物颗粒的硅进行分离处理;使用的氮化物为纳米级粉末,具有比较面积大的优异特性,可以有效吸附硼杂质并实现硼杂质的氮化,形成氮化物颗粒;电磁净化可将氮化物颗粒富集到硅熔体周围,从而实现氮化物颗粒和硅熔体的有效分离。还获得高纯氮化物和含有氮化物的废硅料,前者应用领域广泛,后者可回收再利用,均提高技术经济性。
Description
技术领域
本发明涉及冶金、材料技术领域,更具体地说,涉及一种基于超细氮化物转化-净化冶金硅中杂质硼的方法。
背景技术
我国是名副其实的硅生产大国,但目前国内硅材料供需却面临着严重的结构性失衡,一方面中低端硅材料供给严重过剩,价格持续下滑;另一方面,高品质硅供给不足,高度依赖进口。在此背景下,优化产品结构、提高产品质量是硅产业实现可持续发展的必由之路。
太阳能级多晶硅是最具应用前景的高附加值硅制品之一,其纯度为5~7N,主要应用于太阳能电池器件制备。1865年美国杜邦公司发明了锌还原法,由此拉开了高纯多晶硅制备的序幕,随后相继产生了四氯化硅氢还原法、三氯氢硅热分解法、硅烷热分解法与改良西门子法,其中改良西门子法成为多晶硅的主流制备工艺。自20世纪70年代起,光伏产业发展迅猛,由此激发了行业对太阳能级多晶硅材料巨大需求,而改良西门子法已经无法满足多晶硅的大规模生产,以此为契机,研发出了诸如冶金法、金属还原法、熔盐电解等一批新型高纯多晶硅制备技术。对于太阳能级多晶硅材料,B杂质是关键杂质,其含量过高将使硅基太阳能电池电阻率过低,从而影响太阳能电池的光电转化效率。但B杂质与硅的性质相似,是新技术制备太阳能级多晶硅过程中最难除去的杂质,针对B杂质的去除,现有技术还都面临着“降低生产成本”和“提高产品质量”的共性问题。
目前去除硅中B杂质主要方法为造渣-吹气精炼法,在造渣精炼过程中向硅-渣熔体通入惰性或惰性-活性混合气体,利用惰性气体搅拌熔体,以促进元素传输、加快化学反应;利用活性气体与硅熔体之间的杂质发生反应,是一种除杂效率高、可操作性强、成本低的多晶硅提纯方法。经检索,发明创造名称为:一种低硼磷高纯硅的制备工艺(申请号:201811088653.4,申请日:2018-09-18),该申请案公开了一种低硼磷高纯硅的制备工艺,包括以下步骤:制备原料、酸洗除金属杂质、氧化精炼除磷、改进型热交换法除硼、还原提纯。该申请案采用酸洗的方式除去工业硅内的金属杂质,再通过氧化精炼和改进型热交换法除去工业硅内的磷和硼,使得磷和硼均被氧化形成易挥发物质,虽然可使得硅的纯度达到99.9%以上,但是其在除B过程中通入H2和水蒸气且需要抵押环境,造成了渣剂和硅的大量损失;同时上述过程使用了大量渣剂,不可避免的造成硅熔体的二次污染,还需要进一步通过渣金分离、酸洗等精炼方法获得低B多晶硅材料,因此成本高、流程长、除硼效率低。
发明内容
1.发明要解决的技术问题
本发明的目的在于针对现有技术中去除硅中硼杂质成本高、流程长、效率低等问题,提供了一种基于超细氮化物转化-净化冶金硅中杂质硼的方法,该方法通过向硅熔体中喷吹超细氮化物颗粒方式,促使B杂质在氮化物颗粒表面吸附、氮化,形成含B的氮化物颗粒,继而再利用电磁净化手段高效去除氮化物,从而达到除硼目的。
2.技术方案
为达到上述目的,本发明提供的技术方案为:
本发明的一种基于超细氮化物转化-净化冶金硅中杂质硼的方法,将粒度为纳米级的氮化物粉末加入硅熔体中,纳米级氮化物粉末对硅中杂质硼进行吸附、氮化处理,之后将反应后的上述硅熔体进行电磁净化处理,进而将电磁净化后得到的周围富含氮化物的多晶硅进行分离处理。
优选地,具体步骤如下:
第一步:纳米级氮化物粉末制备
将氯化铵与金属粉M进行混合,在流动性氮气下进行氮化反应,制备金属氮化物MxNy;之后将金属氮化物MxNy进行破碎筛分,最终获得纳米级氮化物粉末;
第二步:氮化熔体
将冶金硅加热至熔融状态,并将第一步得到的纳米级氮化物粉末以气体为载体喷入熔融状态的冶金硅中,纳米级氮化物对硼进行吸附、氮化,进而转化为含硼的氮化物;
第三步:电磁净化
经第二步处理的氮化熔体在电磁力的作用下进行净化处理,处理结束时对氮化熔体进行强制冷却得到周围包含富硼杂质的多晶硅;
第四步:分离多晶硅
将第三步得到的周围包含富硼杂质的多晶硅进行机械分离,分别得到富硼杂质的多晶硅和中心低含硼杂质的多晶硅。
优选地,第一步的具体步骤为:将氯化铵与金属粉M按一定质量配比下均匀混合,氯化铵加入量为金属粉M质量的20~100%,氯化铵颗粒粒径范围为10~50μm;在该金属粉M的氮化温度下,且在流动性氮气环境下进行氮化反应,制备金属氮化物MxNy;之后将金属氮化物MxNy进行破碎筛分至纳米级粒度,最终获得纳米级氮化物粉末。
优选地,第二步的纳米级氮化物粉末以气体为载体喷入熔融状态的冶金硅中具体方式是:采用氩气或/和氮气为载气将纳米级粉末弥散喷吹入熔融状态的冶金硅中,喷吹时间为5~180s。
优选地,第三步的具体步骤为:对氮化熔体施加电磁力,氮化物在电磁力的作用下向氮化熔体周围富集,当电磁净化处理结束时立即断开电磁力,并向氮化熔体外侧喷吹氮气进行强制冷却,以得到周围富含氮化物颗粒的多晶硅。
优选地,所述电磁净化的电磁参数为:电流强度10~50A,电压:200~550V,频率:50~100kHz,功率:4~25kW,电磁净化时间:10~180s。
优选地,第四步中机械分离富含氮化物颗粒的多晶硅和中心低硼杂质含量的多晶硅的界面为第三步得到的多晶硅表面至内部5~15mm处。
优选地,金属粉M纯度为高于99.9%,金属粉M为Al、Ti、Si中的一种或多种,其粒径为1~30μm。
优选地,纳米级氮化物粉末粒径10nm~1μm。
3.有益效果
采用本发明提供的技术方案,与已有的公知技术相比,具有如下显著效果:
(1)本发明的一种基于超细氮化物转化-净化冶金硅中杂质硼的方法,将粒度为纳米级的氮化物粉末加入硅熔体中,纳米级氮化物粉末对硅中杂质硼进行吸附、氮化处理,之后将反应后的上述硅熔体进行电磁净化处理,进而将电磁净化后得到的周围富含氮化物颗粒的多晶硅进行分离处理;使用的氮化物为纳米级粉末,具有比较面积大的优异特性,可以有效吸附B杂质并实现B杂质的氮化,形成氮化物颗粒;电磁净化可将氮化物颗粒富集到硅熔体周围,从而实现氮化物和硅熔体的有效分离,即实现硅中去除硼杂质。
(2)本发明的一种基于超细氮化物转化-净化冶金硅中杂质硼的方法,将氯化铵与金属粉M按一定质量配比下均匀混合,氯化铵加入量为金属粉M质量的20~100%,氯化铵颗粒粒径范围为10~50μm;在该金属粉M的氮化温度下,且在流动性氮气环境下进行氮化反应,制备金属氮化物MxNy;之后将金属氮化物MxNy进行破碎筛分至纳米级粒度,最终获得纳米级氮化物粉末;利用氯化铵强化N2气氛下氮化物的制备,使其具有氮化物收得率高、氮化转化率高、制备方法简单的三重优点,并且选用金属粉末为原料,可以获得高纯氮化物产物,应用领域广泛;
(3)本发明的一种基于超细氮化物转化-净化冶金硅中杂质硼的方法,对氮化熔体施加电磁力,氮化物在电磁力的作用下向氮化熔体周围富集,当电磁净化处理结束时立即断开电磁力,并向氮化熔体外侧喷吹氮气进行强制冷却,以得到周围包含富氮化物的多晶硅;电磁净化的电磁参数为:电流强度10~50A,电压:200~550V,频率:50~100kHz,功率:4~25kW,电磁净化时间:10~180s;电磁净化仅依靠电磁外场作用将氮化物颗粒与熔体分离,是一种非接触式的、洁净化的精炼技术,不会向硅熔体引入新的介质而造成二次污染,实现颗粒的高效富集、脱除;此外,电磁净化过程仅需要调控电流强度等参数进行颗粒与硅熔体的高效分离,操作简单、成本低、除硼效率高;
(4)本发明的一种基于超细氮化物转化-净化冶金硅中杂质硼的方法,将第三步得到的周围包含富硼杂质的多晶硅进行机械分离,分别得到富含氮化物颗粒的多晶硅和中心低硼杂质含量的多晶硅,其中富含氮化物颗粒的多晶硅可进行回收再利用,以提高产品附加值和技术经济性。
附图说明
图1为本发明一种基于超细氮化物转化-净化冶金硅中杂质硼的方法的示意图。
具体实施方式
下文对本发明的详细描述和示例实施例可结合附图来更好地理解,其中本发明的元件和特征由附图标记标识。
实施例1
结合图1所示,本实施例的一种基于超细氮化物转化-净化冶金硅中杂质硼的方法,其步骤为:将粒度为纳米级的氮化物粉末加入硅熔体中,纳米级氮化物粉末对硅中硼杂质进行吸附、氮化处理,之后将反应后的上述硅熔体进行电磁净化处理,进而将电磁净化后得到的周围包含氮化物颗粒的多晶硅进行分离处理。具体步骤为:
第一步:纳米级氮化物粉末制备
将氯化铵与金属粉M按一定质量配比下均匀混合,氯化铵加入量为金属粉M质量的20~100%,氯化铵颗粒粒径范围为10~50μm;该金属粉M为纯度为高于99.9%,金属粉M为Al、Ti、Si中的一种或多种,本实施例金属粉M为Al,纯度高于99.95%,其粒径范围为1~30μm,氯化铵加入量为金属粉Al质量的20%,氯化铵颗粒粒径为10μm,将二者均匀混合;在该金属Al粉的氮化温度(600℃)下,且在流动性氮气环境下进行氮化反应,氮气流量维持在500ml/min,氮化时间为180min,制备金属氮化物AlN;之后将金属氮化物AlN进行破碎筛分至纳米级粒度,粒度范围为10nm~1μm,本实施例选用10nm左右的粒径。
第二步:氮化熔体
将冶金硅加热至熔融状态,本实施例的冶金硅为硼含量达到500ppm,且纯度为99%;之后将第一步得到的纳米级氮化物粉末用氩气或/和氮气为载气喷入熔融状态的冶金硅中,本实施例采用氩气为载气,喷吹时间为5~180s,本实施例取5s。
值得一提的是,由于向熔融状态硅中加入纳米级的AlN,一方面AlN为纳米级粉末,具有比较面积大的优异特性,可以有效吸附B杂质并实现B杂质的氮化,形成氮化物颗粒;另一方面在该熔体中会生成Si3N4颗粒、BN颗粒、AlN颗粒、Si3N4-BN复合颗粒、AlN-Si3N4复合颗粒、AlN-BN复合颗粒、AlN-Si3N4-BN复合颗粒,以达到去除硅中B杂质的精炼效果。
第三步:电磁净化
对氮化熔体施加电磁力,电磁参数为:电流强度10~50A,电压:200~550V,频率:50~100kHz,功率:4~25kW,电磁净化时间:10~180s,本实施例电磁参数取值为,电流强度10A,电压:200V,频率:50kHz,功率:4kW,电磁净化时间:10s。氮化物在电磁力的作用下向氮化熔体表面周围富集,当电磁净化处理结束时立即断开电磁力,并向氮化熔体外侧喷吹氮气进行强制冷却,避免氮化物颗粒重新回流到中间部位,以得到周围富含氮化物颗粒的多晶硅。
第四步:分离多晶硅
将第三步得到的周围富含氮化物颗粒的多晶硅进行机械分离,机械分离富含氮化物颗粒的多晶硅和中心低硼杂质含量的多晶硅的界面为第三步得到的多晶硅表面至内部5~15mm处,分别得到富含氮化物颗粒的多晶硅和中心低硼杂质含量的多晶硅。本实施例的中心低硼杂质的多晶硅纯度提升至99.5%,收得率为85%,硼杂质含量降低至10ppm。
值得说明的是,电磁净化仅依靠电磁外场作用将氮化物颗粒与熔体分离,是一种非接触式的、洁净化的精炼技术,不会向硅熔体引入新的介质而造成二次污染,实现颗粒的高效富集、脱除;此外,电磁净化过程仅需要调控电流强度等参数进行颗粒与硅熔体的高效分离,操作简单、成本低、除硼效率高。
此外,富硼杂质的多晶硅可经过氮化处理,可生产氮化硅产品,实现资源的高效利用。
实施例2
本实施例和实施例1基本相同,不同之处在于:金属粉M的纯度为99.99%,金属粉M为Ti,粒径为10μm。金属Ti粉添加氯化铵混合,氯化铵加入量为金属粉Ti质量的50%,氯化铵颗粒粒径为20μm,将二者均匀混合,氮化温度:800℃,氮化时间:160min;流动性N2的流量为400mL/min,生成的高纯金属氮化物TiN,经筛分为50nm的氮化钛。在电磁净化阶段中,硅料纯度为95%,B杂质含量为800ppm;本实施例采用N2为载气将纳米级TiN粉末喷吹进入硅熔体,粉末喷吹时间为20s。所述电磁净化阶段,电磁参数为:电流强度30A,电压:300V,频率:60kHz,功率:10kW,电磁净化时间:50s。最终可得到中心低含硼杂质的多晶硅纯度为99%,收得率为80%,B杂质含量降低至35ppm。
实施例3
本实施例和实施例1基本相同,不同之处在于:金属粉M的纯度为99.999%,金属粉M为Si,粒径为30μm。金属Si粉添加氯化铵混合,氯化铵加入量为金属粉Si质量的50%,氯化铵颗粒粒径为50μm,将二者均匀混合,氮化温度:1200℃,氮化时间:20min;流动性N2的流量为200mL/min,生成的高纯金属氮化物Si3N4,经筛分为100nm的氮化硅。在电磁净化阶段中,硅料纯度为99.95%,B杂质含量为100ppm;本实施例采用20vol%N2-Ar为载气将纳米级Si3N4粉末喷吹进入硅熔体,粉末喷吹时间为5s。所述电磁净化阶段,电磁参数为:电流强度50A,电压:400V,频率:100kHz,功率:25kW,电磁净化时间:20s。最终可得到中心低含硼杂质的多晶硅纯度为99.99%,收得率为95%,B杂质含量降低至1ppm。
在上文中结合具体的示例性实施例详细描述了本发明。但是,应当理解,可在不脱离由所附权利要求限定的本发明的范围的情况下进行各种修改和变型。详细的描述和附图应仅被认为是说明性的,而不是限制性的,如果存在任何这样的修改和变型,那么它们都将落入在此描述的本发明的范围内。此外,背景技术旨在为了说明本技术的研发现状和意义,并不旨在限制本发明或本申请和本发明的应用领域。
Claims (8)
1.一种基于超细氮化物转化-净化冶金硅中杂质硼的方法,其特征在于,其步骤为:将粒度为纳米级的氮化物粉末加入硅熔体中,纳米级氮化物粉末对硅中杂质硼进行吸附、氮化处理,之后将反应后的上述硅熔体进行电磁净化处理,进而将电磁净化后得到的周围包含氮化物颗粒的多晶硅进行分离处理;氮化物粉末为MxNy或氮化硅,M为金属。
2.根据权利要求1所述的一种基于超细氮化物转化-净化冶金硅中杂质硼的方法,其特征在于,具体步骤如下:
第一步:纳米级氮化物粉末制备
将氯化铵与金属粉M进行混合,在流动性氮气下进行氮化反应,制备金属氮化物MxNy;之后将金属氮化物MxNy进行破碎筛分,最终获得纳米级氮化物粉末;
第二步:氮化熔体
将冶金硅加热至熔融状态,并将第一步得到的纳米级氮化物粉末以气体为载体喷入熔融状态的冶金硅中,纳米级氮化物对硅中杂质硼进行吸附、氮化,进而转化为含硼的氮化物;
第三步:电磁净化
经第二步处理的氮化熔体在电磁力的作用下进行净化处理,处理结束时对氮化熔体进行强制冷却得到周围包含富硼杂质的多晶硅;
第四步:分离多晶硅
将第三步得到的周围包含氮化物颗粒的多晶硅进行机械分离,分别得到富含氮化物颗粒的多晶硅和中心低硼杂质的多晶硅。
3.根据权利要求2所述的一种基于超细氮化物转化-净化冶金硅中杂质硼的方法,其特征在于,第一步的具体步骤为:将氯化铵与金属粉M按一定质量配比下均匀混合,氯化铵加入量为金属粉M质量的20~100 %,氯化铵颗粒粒径范围为10~50 μm;在该金属粉M的氮化反应温度下,且在流动性氮气环境下进行氮化反应,制备金属氮化物MxNy;之后将金属氮化物MxNy进行破碎筛分至纳米级粒度,最终获得纳米级氮化物粉末。
4.根据权利要求2所述的一种基于超细氮化物转化-净化冶金硅中杂质硼的方法,其特征在于,第二步的纳米级氮化物粉末以气体为载体喷入熔融状态的冶金硅中具体方式是:采用氩气或/和氮气为载气将纳米级粉末弥散喷吹入熔融状态的冶金硅中,喷吹时间为5~180 s。
5.根据权利要求2所述的一种基于超细氮化物转化-净化冶金硅中杂质硼的方法,其特征在于,第三步的具体步骤为:对氮化熔体施加电磁力,氮化物在电磁力的作用下向氮化熔体周围富集,当电磁净化处理结束时立即断开电磁力,并向氮化熔体外侧喷吹氮气进行强制冷却,以得到周围富含氮化物颗粒的多晶硅。
6.根据权利要求1、2、5中任一项所述的一种基于超细氮化物转化-净化冶金硅中杂质硼的方法,其特征在于,所述电磁净化的电磁参数为:电流强度10~50 A,电压:200~550V,频率:50~100 kHz,功率:4~25 kW,电磁净化时间:10~180 s。
7.根据权利要求2所述的一种基于超细氮化物转化-净化冶金硅中杂质硼的方法,其特征在于:第四步中机械分离富含氮化物颗粒的多晶硅和中心低含硼杂质的多晶硅的界面为第三步得到的多晶硅表面至内部5~15 mm处。
8.据权利要求3所述的一种基于超细氮化物转化-净化冶金硅中杂质硼的方法,其特征在于:所述金属粉M纯度为高于99.9%,金属粉M为Al、Ti中的一种或多种,其粒径为1 ~30μ m 。
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