[发明专利]一种太阳能级硅电解制取法和装置

说明书

技术领域

本发明属于硅的纯化的技术领域，具体涉及到一种用低温电解经过纯化后的液态四氯化硅制取太阳能级硅的方法和装置。

背景技术

随着以煤和石油为代表的传统能源的日益枯竭，寻找新能源已势在必行。太阳能作为一种可再生的新能源，因其具有丰富、洁净等多方面的优势，更受到广泛的重视。太阳能利用的发展方向是太阳能光伏发电(即太阳能电池)，然而，作为太阳能电池的主要原料-多晶硅或单晶硅，对其纯度要求较高，通常硅含量必须达到99.9999％(即6N)以上，由此6N级的高纯硅便称之为太阳能级硅。

目前，世界上能够年产千吨以上6N级多晶硅的大厂家并不多，它们多数采用传统的西门子法(Siemens Process)。西门子法本质上是一种热化学气相沉积法，其工艺流程环节多；时间长；能耗、物耗大；生产成本较高。加之其核心技术目前尚为美、日、德三国几家大公司所垄断，这便极大地制约了太阳能光伏产业、特别是我国太阳能光伏产业的发展。

为了改变这一局面，国内外的科技人员都在致力于寻求能够多、快、好、省地生产出太阳能级硅的新方法、新工艺，在这一领域中申请的专利数量与日俱增。其中较为典型的可分为：(一)物理冶金法；(二)锌还原法；(三)熔盐电解法等几种类型。

单纯的物理冶金法很难去除硅中的硼、磷两种杂质，而添加造渣剂造渣去杂，不仅不能去除原有的杂质，反而会向硅液中添加新的有害成分，实在是得不偿失！

用锌还原四氯化硅制取高纯硅，采用全封闭循环的工艺，的确能够消除氯化物对环境的污染，但由于其工艺路线可以说仍未根本脱离西门子法的窠臼，用于生产电子级硅有望取得可观的效益；而生产太阳能级硅其成本不会比西门子法降低很多，故难以取得多大优势。

熔盐电解法也是一种制取太阳能级硅的方法，虽然目前所能见到的专利文献不多，但却为我们提供了一条新的思路。中国专利申请案200580027190.5公开了一种《生产硅的方法、从熔融的盐中分离硅的方法和生产四氟化硅的方法》，它包括将二氧化硅在1100℃～1200℃的温度下用元素氟来处理生产四氟化硅；将被四氟化硅饱和的碱金属氟化物盐三元系LiF-KF-NaF的低共熔体在450℃～600℃温度下进行电解分解，最后再将硅从氟化盐LiF-KF-NaF的低共熔体中分离出来。而中国专利申请案200710034619.4则公开了《一种熔盐电解法制备太阳级硅材料的方法》，它采用“熔盐电解-三层液精练-真空蒸馏”工艺，该工艺分为三个步骤：(1)以SiO₂为原料在600℃-1400℃温度下熔盐电解制备含硅合金Si-M1；(2)以含硅合金Si-M1在600℃-1400℃温度下采用三层液熔盐电解精练技术制备含硅合金Si-M2；(3)以含硅合金Si-M2为原料，采用“真空精馏”技术，在真空度10^-2Pa～10^-6Pa状态、温度600℃-1800℃的条件下蒸馏0.5～24小时制取太阳级多晶硅材料。不难看出，上述两项专利申请案的工艺是何等复杂！虽然其产品质量如何我们尚不得而知，单就其生产工艺来说，成本显然会居高不下，难以得到推广应用。

发明内容

本发明所公开的也是一种用电解法制取太阳能级硅的新工艺，然而本发明人摒弃了能耗高的熔盐电解法；创造性地采用低温电解法，直接对提纯后的液态四氯化硅进行电解以制取太阳能级硅。

本发明的太阳能级硅电解制取法，其特征在于它包括如下步骤：

(一)用高纯氯气和化学纯工业硅反应制取气态四氯化硅的步骤；

(二)用分级冷凝分离、纯化气态四氯化硅制取液态四氯化硅的步骤；

(三)将冷凝纯化后的液态四氯化硅注入低温电解槽内电解制取高纯硅的步骤；

(四)将电解槽阳极所析出的氯气循环利用于和化学纯工业硅反应制取气态四氯化硅的步骤。

在上述发明的步骤(一)中用高纯氯气和化学纯工业硅反应制取气态四氯化硅的反应温度为300℃～450℃。本发明的化学纯工业硅也可采用中华人民共和国《工业硅》(Silicon metal)国家标准中的化学用工业硅。

在上述发明的步骤(二)中分级冷凝分离、纯化气态四氯化硅制取液态四氯化硅时包括两级冷凝过程，第一级冷凝温度为70℃～65℃，分离出液态氯化磷；第二级冷凝温度为50℃～20℃，分离出液态四氯化硅。

在上述发明的步骤(三)中液态四氯化硅的电解温度为-60℃～50℃；而其优选的电解温度则为-20℃～20℃。