[发明专利]一种强化去除冶金级硅中硼的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种强化去除冶金级硅中硼的方法，属于硅提纯技术领域。

背景技术

太阳能是一种洁净型可再生新能源。近年来，多晶硅已成为制备太阳能电池片的主要原材料。由于多晶硅中的硼等杂质能显著降低太阳能电池的光电转换效率，因此必须采用技术手段将硅中的硼等杂质除去，得到的纯度大于99.9999%太阳能级多晶硅。目前，太阳能级多晶硅的制备方法主要有化学法和物理法。化学法以西门子法为主。虽然西门子法生产的多晶硅纯度高、质量好，但存在成本高、工艺复杂和污染大等弊端。因此，大量研究者的目光开始聚集在工艺简单和成本低的物理法。物理法又称冶金法，是一种通过冶金技术去除冶金级多晶硅（纯度>99%）中的杂质，使其纯度达到太阳能级多晶硅的方法，硅在提纯的过程中没有价态上的变化，但如何绿色高效地除去硅中硼是冶金法需克服的主要难题。

铝硅合金电磁定向凝固法对除硼具有积极的作用，与其他的冶金法相比还具有以下优点：绿色环保（无废渣、废气产生，酸耗少）、低能耗（精炼温度可低于硅的熔点400℃以下）、低成本（设备和操作简单）、高效（去除硼等杂质的效果明显），该方法包含以下几个步骤：①将冶金级多晶硅与铝形成过共晶铝硅熔体；②将过共晶铝硅熔体在电磁场下进行向上或向下的定向凝固，当温度由熔体的液相线温度降低到共晶温度时，硅晶体不断从熔体中析出，并在电磁力作用下被富集到熔体的一端（顶部或底部）；③切割分离硅晶体的富集相和共晶铝硅合金；④磨细硅晶体的富集相，酸洗去除硼等杂质得到高纯硅。虽然该方法对除硼具有积极的效果，但根据已有的研究，将硅中硼的含量降低到太阳能电池用多晶硅的标准（小于1.3ppma）还有很大的难度。因此，研究者仍需要改善该技术以达到强化除硼的目的。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题及不足，本发明目的在于采用少量的金属铪作为添加剂，以达到强化去除硅中硼的目的，将硅中硼的含量降低到太阳能电池用多晶硅的标准（小于1.3ppma）；

本发明所述强化去除冶金级硅中硼的方法，具体包括以下步骤：

（1）将含硼的冶金级多晶硅和金属铝混合均匀得到混合物料，混合物料与添加剂均匀混合后，在氩气气氛中进行感应熔炼，待物料完全熔化后，在感应加热条件下（温度、电磁场强度、感应加热的频率和感应熔炼过程相同）进行向上或向下的定向凝固；定向凝固过程中硅晶体不断从铝硅熔体中析出并通过电磁力的作用被富集到熔体的顶部或底部；在定向凝固过程中，当铝硅熔体的温度降低到共晶点温度时，此时硅晶体不再析出，定向凝固过程结束，析出的硅晶体被电磁力富集到铝硅熔体的一端形成富集相，相对应的反向为共晶铝硅合金；

（2）将步骤（1）中得到的硅晶体富集相与共晶铝硅合金沿分界面切割分离，将硅晶体富集相磨成粒度小于186μm的细粉，用体积比为1~9:1~3:1~3的浓盐酸、浓硝酸和浓硫酸的混酸浸出1~10小时，去除富集在晶界处和液相中的硼、铪后获得高纯硅；

（3）将切割后的共晶铝硅合金在600℃~1000℃下保温1~50小时，使硼与铪形成化合物并充分沉淀在合金底部，机械切除合金底部5~50毫米厚度的部分，剩余的共晶铝硅合金含硼量低，可重新返回到步骤（1）中作为原料循环使用；

所述添加剂为金属铪、硅铪合金或铝铪合金，金属铪的添加量在全部原料中的含量以原子计为1~4000ppma。

优选的，本发明步骤（1）中感应熔炼过程中：温度为1000℃~1400℃,电磁场强度为1T~100T，感应加热的频率为10kHz~100kHz。

优选的，本发明步骤（1）中所述定向凝固过程中向上或向下拉的速率为0.1mm/min~5mm/min。

优选的，本发明步骤（1）中所述含硼的冶金级多晶硅和金属铝为粉状或块状，金属铝占混合物料的摩尔百分比为10%~70%。

本发明所用浓盐酸、浓硝酸和浓硫酸为市售分析纯，不需要稀释和处理。