[发明专利]氧化处理提纯金属硅的方法

说明书

本发明公开了氧化处理提纯金属硅的方法，解决了现有的金属硅物理冶炼法除杂效果有限的问题。本发明包括真空熔炼金属硅并底部吹氧，保温，去除上层和底层含渣熔融液，再通过定向凝固进一步提纯高纯金属硅，得到接近6N的太阳能级硅。本发明具有一步熔融双重提纯、提纯效果好等优点。

技术领域

本发明涉及一种金属硅的提纯方法，具体涉及氧化处理提纯金属硅的方法。

背景技术

随着全球性的能源危机、环境恶化、以及近年来联合国对各国温室气体排放量的限制，发展可再生能源技术已成为实现全球可持续发展的一项基本政策。太阳能光伏技术是可再生能源技术中的主要组成部分之一，近年来全球光伏产业得到飞速发展。

目前绝大部分太阳能电池是晶体硅太阳能电池。用于制备太阳能电池的单晶硅片和多晶硅片均以太阳级多晶硅(硅含量高于99.9999％或6N级)或更高纯度的高纯多晶硅为原料，这些用于太阳能电池的较高纯度的多晶硅也常常被通称为多晶硅(Polysilicon)，由于光伏产业对多晶硅的巨大需求，全球多晶硅的价格一直居高不下，而且货源供应也较紧张。纯度较低的金属硅(纯度为98％～99.5％左右)是制备多晶硅的原材料，金属硅经过适当工艺提纯后可得到多晶硅。在高纯多晶硅提纯技术中，改良西门子法、硅烷法占据了几乎98％以上的份额。但是利用这些方法得到的硅原料纯度可达9N，但是成本难以降低。因此，这就催生了低成本的太阳能级多晶硅新工艺的大量研究和迅速发展，逐渐把生产低纯度太阳能级多晶硅工艺和高纯度电子级多晶硅工艺分离出来，以降低太阳能级多晶硅的生产成本。在低成本的太阳能级多晶硅的工艺中，冶炼法这种物理方法被认为是一种效果好的方法，它主要有两种提纯途径：一种是通过加入造渣剂，通过造渣剂与金属硅中的杂质结合形成共熔物，并位于金属硅的顶部或底部，最后进行切除而去除杂质；另一种是通过定向凝固，根据不同杂质在固态硅和液态硅中的溶解度不一样，大部分杂质在液体硅中的溶解度大，因此在定向凝固过程中，杂质逐渐向液体端移动，最终富集在最后凝固的端部，再切除该端部即得到提纯的金属硅，但是在造渣剂时，因为造渣剂与金属硅是在固体状态下进行混合，始终存在不均匀的情况，会影响造渣去除杂质，因此，有必要设计一种能更有效造渣排渣从而除杂的方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：现有的金属硅物理冶炼法除杂效果有限。

本发明通过下述技术方案实现：

氧化处理提纯金属硅的方法，包括真空熔炼金属硅并底部吹氧，保温，去除上层和底层含渣熔融液而完成通氧除杂，再通过定向凝固进一步提纯高纯金属硅。

本发明的设计原理为：在金属硅为熔融状态下，底部通氧，一方面，金属硅成熔融的液体状，分子间隙较大，有利于氧分子进入与其内部的杂质发生氧化反应，杂质包括Ca、Al、Fe、P、B等，另一方面，从底部通氧起到对金属硅熔融液体的搅拌作用，更有利于氧气的扩散和分布，从而更彻底地氧化熔融金属硅中的杂质，杂质磷氧化后形成氧化磷受热挥发，杂质Fe被氧化后生成氧化铁，氧化铁的密度比硅大，成渣后会下降到金属硅底部，杂质Ca、Al被氧化后形成CaO、Al₂O₃，还有少量硅被氧化成SiO₂，这些氧化物形成了造渣剂，并因为比金属硅熔融液的密度略小，会上浮到表面，再将表面层的含渣层和底部的含渣层抽掉，这样就得到了除杂的金属硅，而此时的金属硅中还含有少量其它杂质，为了进一步提高金属硅的纯度，再对熔融金属硅进行定向凝固，根据不同杂质在固体金属硅和液态金属硅中的溶解度不同，具体对Al、Ca、P等在液态金属硅中的溶解度大于其在固态中的溶解度，因此，在定向凝固过程中，杂质会向液态中扩散，最终去除富集杂质的端部即可，本申请通过一步熔融，双重提纯，提纯效果好，且工序简单。

本发明优选的氧化处理提纯金属硅的方法，所述熔炼金属硅的具体步骤为：在石英坩埚中加入金属硅，并将所述石英坩埚置于真空感应熔炼炉中，开启真空感应熔炼炉对石英坩埚中的金属硅加热，并同时抽真空，设定真空度为1-100Pa，设定熔炼温度为1450℃-1750℃。