[发明专利]一种电磁感应定向凝固分离硅中硬质夹杂的方法

说明书

本发明属于多晶硅熔炼技术领域，特别涉及一种电磁感应定向凝固分离硅中硬质夹杂的方法。本发明选用多晶硅铸锭/提纯过程产生的顶皮、边皮料作为原料，利用电磁感应耦合定向凝固技术构建硬质夹杂的迁移和富集环境，使硬质夹杂最终被富集在铸锭表面，进而被切除，获得高纯硅锭，使用该方法去除硬质夹杂的效果显著。

技术领域

本发明属于多晶硅熔炼技术领域，特别涉及一种电磁感应定向凝固分离硅中硬质夹杂的方法。

背景技术

太阳能级多晶硅是光伏产业的主要原材料，随着光伏产业的持续发展，对多晶硅材料的需求日益增长。我国已成为多晶硅最大的产出国与需求国，且大量依赖进口，尚需扩大生产规模。然而，受到制备过程中的杂质再分配及熔炼环境的污染，多晶硅铸锭的出成率不足70％，铸锭顶部区域富含碳杂质、边缘富含氮杂质，无法直接利用。对该部分硅料进行提纯，重新获得高纯度的多晶硅材料，实现硅材料的再生利用，经济和社会意义重大。

在冶金法制备太阳能级多晶硅的铸锭过程后，铸锭的出成率仅为70％，其顶部及侧边近30％的铸锭区域积累了大量的SiC、Si₃N₄夹杂以及金属杂质，这些区域的纯度仅为3N(99.9％)。由前所述，金属杂质目前已有极为有效的提纯方式。但是，对于C、N及其析出生成的SiC、Si₃N₄非金属夹杂颗粒，由于其在各种工艺中来源的多样性，也使得研究其分布和去除存在一定的难度，现今传统工艺中对碳、氮杂质的控制虽取得了一定的效果，但是仍不能满足更高质量太阳能电池对硅材料的要求，废弃的尾料也极难回收再利用。

现有方法及不足之处：

1、过滤

过滤技术主要采用的是陶瓷海绵滤网，在高温下分离硅尾料中的SiC和Si₃N₄夹杂颗粒。当含有夹杂的硅液流过过滤装置时，Si₃N₄主要富集在过滤网的表面，而SiC主要在滤网中的孔洞中附着在陶瓷材料表面，同时填补了孔洞，进一步阻碍了颗粒通过滤网。过滤的过程是一个分批分次的过程，无法实现连续生产，并且只对于粒径大于10μm的颗粒有较好的分离效果，对于粒径较小的夹杂颗粒分离效率低下，并且过程中大量硅液粘附在内壁中，造成了硅料的损失。

2、沉降

沉降技术主要利用的是硅中SiC和Si₃N₄夹杂密度比硅熔体大这一物理性质差异。对于多晶硅尾料则要在高温熔体下进行，硅熔体中的固体颗粒会在重力的作用下逐渐沉降到熔体底部，沉积并与硅熔体分离。但是，单纯的沉降分离由于熔体几乎没有流动性，沉降要完全依靠重力作用，因此分离时间长，分离效率低下。

3、定向凝固

由于多晶硅铸锭炉采用的定向凝固技术对于分凝系数小于1的杂质具有偏析到熔体顶部的效果。由于硅中的C和N分凝系数均小于1。通过定向凝固的方式使得杂质偏析到熔体顶部从而达到分离硅中C和N的作用。但是，由于定向凝固炉中熔体极弱的流动性，虽然游离C和N可随着固液界面推进而偏析到最后凝固区域，但是其过饱和析出的颗粒相SiC和Si₃N₄广泛分布于凝固后的铸锭，无法实现颗粒与硅的分离。

发明内容

为解决现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种电磁感应定向凝固分离硅中硬质夹杂的方法。在硅精炼过程中，通过电磁感应施加外场，硅熔体及硬质夹杂在洛仑兹力及其对熔体的定向搅拌作用下，硬质夹杂在电磁感应场中迁移并富集到熔体顶部和侧边，再通过定向凝固将硬质夹杂进一步富集到铸锭顶部，从而被去除。该方法制得的产品硬质夹杂去除效果好，提纯效率高。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种电磁感应定向凝固分离硅中硬质夹杂的方法，其特征是：包括以下步骤：