[发明专利]一种短流程、高效率及低成本提纯制备太阳能电池用多晶硅的方法

说明书

本发明提供一种短流程、高效率及低成本提纯制备太阳能电池用多晶硅的方法，将目前工业常用碳热还原工业硅生产、中包造渣精炼、Sn‑Si合金法与电磁半连续定向凝固法有效耦合衔接，可有效缩短整个太阳能电池用多晶硅生产的工艺流程，降低生产周期，最终形成一条短流程、高效率及低成本制备太阳能电池用多晶硅的冶金提纯工艺路线。

技术领域

本发明涉及一种工业硅的提纯方法，具体涉及一种短流程、高效率、低成本的提纯制备太阳能电池用多晶硅的方法，属于物理冶金法提纯技术领域。

背景技术

由于太阳能具有储量丰富、分布广泛、清洁无污染及安全可靠等优点，其被认为是一种能有效解决能源危机与环境问题，具备广阔应用前景的开再生能源。受益于世界各国政府的大力支持和企业的广泛关注，作为太阳能应用技术之一的光伏发电近年来发展迅速，其无论在规模还是效益上都得到了很大的提高。然而目前与常规能源相比，其高的发电成本制约了其进一步发展与推广应用，在无政府补贴的情况下还不能为大众所接受。

硅作为太阳能电池生产的主要基材，其提纯与硅片的制备过程是限制整个光伏发电成本降低的最主要环节。由于工业上大量利用碳热还原法生产的工业硅(2N)中含有大量的Fe、Al、Ca等金属杂质和B、P、C等非金属杂质，这些杂质将严重影响太阳能硅电池的光电转换效率，因此，需采用一定工艺对其进行提纯。目前，其主要采用改良西门子法进行提纯。由该技术提纯制备的多晶硅纯度高、质量稳定，但其存在投资大、工艺复杂、能耗大、成本高及提纯过程中产生的副产品对环境有污染等缺点。因此，利用投资小、工艺简单、能耗小、成本低的冶金法制备太阳能级硅成为了光伏行业研发的一个热点。经过多年研究，冶金法提纯技术取得了较大进展，开发出了氧化精炼、造渣、真空冶炼、酸洗、定向凝固及合金熔析等多种提纯方法。

在专利号为ZL201010589296.7的发明专利一种用于多晶硅定向凝固的水冷装置、专利号为ZL201010609932.8发明专利一种具有定向凝固组织多晶硅锭的制备方法以及专利号为ZL201010609909.9的发明专利一种具有定向凝固组织多晶硅锭的制备装置中，介绍了电磁定向凝固法为一种初期用于钛铝合金定向凝固的方法，现有技术中有将该电磁定向凝固技术用于太阳能电池铸锭的制备，直接用来切片制备太阳能电池片，水冷铜坩埚为该技术中的一个重要部件。

然而，以上开发的各种方法除尚存的能耗大、成本高、提纯纯度不够及材料收得率低等问题外，还存在一定的局限性，即各自仅能去除工业硅中的某些特定杂质，而对其它杂质则难以去除或去除效果十分有限。将以上各方法进行简单组合成复合工艺，又存在生产周期长、提纯效率低、材料消耗大、材料重复加热熔化能耗高等缺点。基于此，在取得较大进展的同时，目前冶金法提纯技术的实际应用还十分有限，硅材料制备的高成本依旧是制约光伏产业发展的瓶颈。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明为解决现有技术中存在的问题采用的技术方案如下：

一种短流程、高效率及低成本提纯制备太阳能电池用多晶硅的方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一、对碳热还原法得到的工业硅熔体进行中包造渣预处理；

本步骤将碳热还原得到的工业硅熔体直接引入中包中进行造渣处理，利用碱性造渣精炼初步去除工业硅中的B与P等非金属杂质；本步骤将工业硅生产与中包造渣精炼衔接，直接将还原得到的工业硅熔体引入中包，而非待其冷却并与造渣剂混合后重新于精炼炉中进行加热精炼，本步骤有利于整个提纯过程能耗的降低；

步骤二、在电磁冷坩埚中预置熔配好的Sn-Si合金，在冷坩埚外感应线圈中通上交流电，待合金完全熔化后，将步骤一中预处理的工业硅熔体连续引入冷坩埚，同时以相应速度下拉冷坩埚底部抽拉杆，使得熔体定向凝固形成铸锭，实现初生硅与合金熔体的分离；