从冶金级硅中去除杂质以制得太阳能级硅的方法技术

通过去除金属杂质和非金属杂质提纯冶金级硅。目的是制得适合用作太阳能级硅的硅产品。该方法包括将含有金属和非金属杂质的冶金级硅研磨成由直径小于大约５ｍｍ的硅颗粒构成的硅粉。将研磨后的硅粉保持在固态的同时，将其在减小的压力下加热到某个低于硅熔点（１４１０℃）的温度。将加热后的研磨硅粉在此温度下保持足够长的一段时间以从冶金级硅中去除至少一种金属或者非金属杂质。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】从冶金级硅中去除杂质以制得太阳能级硅的方法专利
本专利技术涉及从冶金级(MG)硅中去除杂质特别是磷以制得太阳能级(SG)硅的方法。具体的，依据本专利技术，当对冶金级硅进行处理时，其处于固体状态，而不是像现有方法的通常实践中那样处于熔融状态。冶金级硅在整个工艺当中保持固态。专利技术背景在US专利5182091(1993年1月26日)中，通过在真空下用电子束使硅熔融来去除磷，然后用等离子体工艺去除硼。每步之后都跟着进行定向凝固以去除金属。在US专利6090361(2000年7月18日)中描述了一种将冶金级硅提纯以用于太阳能电池应用中的方法，在真空下使磷从熔融硅中蒸发出来，接着进行定向凝固以去除Al，Fe，Ca和Ti。另一种定向凝固方法在通过氧化提纯去除了熔融硅中的硼之后进行。这第二种定向凝固步骤可去除剩余的金属杂质。然后将提纯后的硅制成坯锭。US专利6231826(2001年5月15日)教导了，通过在真空下将熔融硅浇注到连续的高纯度高密度的石墨容器中，并用电子束加热，可以去除硅中的磷，Al和Ca。然而，与当要去除的磷溶解在深的硅液态熔体中时可以利用的面积相比，依据本专利技术为磷类物质从精细硅颗粒中蒸发提供了大很多的比表面积。例如，50千克(kg)的直径100微米(μm)的硅粉，比表面积为0.025m2/g，所具有的总表面积为1250m2。相反，一个边长0.27米的20升的立方形容器，可以容纳50千克的熔融硅，其具有的-->总表面积只有0.073m2。另外，当增加到更大数量的规模时，依据本专利技术的方法，表面积与质量的比不会明显变化，然而，依据现有的采用熔融硅的方法，该比值会显著下降，除非将至少一个尺度增加到某个实用性受到损害的程度。所以，与采用现有技术方法相比，可以更方便的将依据本专利技术的方法扩大到商业化的数量规模。而且，在经过处理后，可以将金属比如Al，Ca，Mg，Mn，Sn，Zn和Cu的含量降低两个数量级。专利技术简述本专利技术涉及从冶金级硅中去除金属杂质和非金属杂质，尤其是磷，以提纯硅的方法。目的是制得适合用作太阳能级硅的硅产品。基本的，该方法包括步骤：(i)将含有金属杂质和非金属杂质的冶金级硅研磨成由直径小于大约5000微米(μm)的硅颗粒构成的硅粉；(ii)在将研磨硅粉保持在固态的同时，将该研磨硅粉在真空下加热到低于硅熔点的温度；以及(iii)将加热后的研磨硅粉在所述温度下保持足够长的一段时间以能够去除至少一种金属或者非金属杂质。通过考虑详细的描述，本专利技术的这些以及其它特征和细节将变得明显。专利技术详述本专利技术涉及从冶金级硅中去除杂质例如磷以制得适合用在光伏(PV)工业中制造器件比如太阳能电池组件的太阳能级硅的方法。正如所知，太阳能组件将太阳辐射转变成电。然而，为了适合用在光伏工业中，光伏工业通常要求将纯度在大约98-99重量百分比的冶金级硅进一步提纯到99.99-99.9999重量百分比的纯度。-->一般的，光伏工业要求，冶金级硅提纯包括去除硼(B)，磷(P)，氧(O)，碳(C)以及各种混合金属。尽管在过去的30年中进行了很多努力，然而，仍然没有商业规模的经济的方法可以用来将冶金级硅提升到适合太阳能级应用的硅。实施商业规模方法的一些主要问题包括以经济的方式来去除冶金级硅中的硼和磷。本专利技术针对提纯冶金级硅以使其适合用在光伏工业中，在去除磷方面提供一种可行方案。与现有技术方法相反，本专利技术方法可以在冶金级硅处于固态而不是熔融条件时对其进行处理，从而有效地从中去除磷。而在现有方法中，要在真空下或者在存在活性气体存在的情况下对熔融硅进行处理，或者在真空下用电子束对熔融硅进行加热，依据本专利技术的方法简单的将冶金级硅研磨成粉体，然后将硅粉在真空下加热到大约1300℃的温度。这一所用温度必须是低于硅熔点，即低于1410℃的一个温度。所以，本专利技术的重点和关键是在其是固态而不是液态时将磷去除，且在处理过程中，被提纯的冶金级硅保持固态。这种方法所展示的从冶金级硅中去除磷的效率范围是，在1370℃的温度下，在0.5Torr(66.66Pa)的总压力下，经过36小时的处理周期后，除磷效率从50％到76％。一般的，通过下述步骤实施依据本专利技术的方法，首先是将冶金级硅研磨成由直径小于大约5000微米(μm)的硅颗粒构成的粉体形式，优选的直径小于大约500微米(μm)，更优选的直径小于大约125微米(μm)。该研磨工序被认为可以极大的缩短金属和非金属杂质从冶金级硅中扩散的路程。然后，用两种方式之一对这样的研磨硅粉颗粒进行处理。第一种，将粉体放到盘子中，并在盘子中均匀分布成小于1英寸/2.54cm厚的-->均匀层，优选的是大约0.5英寸/1.27cm厚的均匀层，更优选的是0.25英寸/0.6cm厚的均匀层。然后，将这些盘子在真空炉中放足够长的一段时间以能去除至少一种杂质。通常，为此目的，几个小时到几十个小时的时间是足够了。第二种，不是将粉体分布在盘子中，而是当粉体暴露于上述温度，压力和时间条件下的同时，对其施加搅拌。例如，搅拌方法可以是在真空炉中让干馏容器(retort)旋转。将真空炉中的条件保持在某一温度，该温度的范围可以为从1000℃到低于硅熔点，即1410℃的某一温度，优选的温度范围为从1300℃到1370℃，最优选的温度为从1330℃到1370℃。真空室中的压力保持在低于760Torr/101325Pa的压力，优选的压力低于0.5Torr/66.66Pa，最优选的压力低于0.01Torr/1.33Pa。要避免气体气氛中的氧化物质，这样，硅表面保持在活性氧化条件下。如果必要，应该加入惰性气体以保持这种条件。在活性氧化模式下，任何攻击硅表面的氧都会形成一氧化硅(SiO)气体，而不会形成完整的氧化物层。可选的，可以采用一些活性气体气氛来产生杂质在硅中和气相中的化学势差，以增进从硅中这些杂质的去除。尽管依据本专利技术的方法的主要重点是去除冶金级硅中的磷，但其也能去除其它的次要金属和次要非金属，包括像铝，钙，铜，镁，锰，钠，锡和锌这样的元素。实施例下面给出的实施例是为了更详细的阐释本专利技术。工序-->在下面的实施例中，粉体硅用实验室规模的Bleuler旋转磨制备，操作电压230伏(V)，60赫兹(Hz)。该旋转磨由盘，松散安装在盘上的同心圆的片，以及松散安装在同心片内的冰球状固体金属件构成。离心力摇动整个球装置，将硅块研磨成粉体。硅块的尺寸一般大约1英寸。盘和球装置由碳化钨合金或者碳钢制成。在这些实施例中采用的是碳钢盘装置。在少于大约1分钟的时间内，将大约80克的硅研磨到直径大约为100微米或者更细。研磨之后，将硅用CSC Scientific摇筛机过筛得到所需要的颗粒尺寸部分。在这些实施例中，所用尺寸部分在90-300微米之间，即No.170和No.50USA标准目之间，或者125-300微米之间，即No.120和No.50USA标准目之间。所用的具体颗粒尺寸部分标注在下面的数据表中。在处理过程中，将硅粉装在五种坩埚的一种之中。第一种坩埚是浅的氧化铝坩埚，深0.25英寸，宽0.5英寸且为椭圆形，由CoorsCeramics Company，Golden，Colorado制造。第二种坩埚是高的氧化铝坩埚，直径0.75英寸，高1.25英寸，圆本文档来自技高网...

【技术保护点】
提纯硅的方法，该方法通过从冶金级硅中去除金属杂质和非金属杂质来制得适合用作太阳能级硅的硅，该方法包括步骤（ｉ）将含有金属杂质和非金属杂质的冶金级硅研磨成由平均直径小于大约５ｍｍ的硅颗粒构成的硅粉；（ｉｉ）将研磨硅粉保持在固态的同时，将研磨硅粉在减小的压力下加热到低于硅熔点的某个温度；以及（ｉｉｉ）将加热的研磨硅粉在所述温度下保持足够长的一段时间，以能够去除至少一种金属或者非金属杂质。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2003-12-4 60/527,1201.提纯硅的方法，该方法通过从冶金级硅中去除金属杂质和非金属杂质来制得适合用作太阳能级硅的硅，该方法包括步骤(i)将含有金属杂质和非金属杂质的冶金级硅研磨成由平均直径小于大约5mm的硅颗粒构成的硅粉；(ii)将研磨硅粉保持在固态的同时，将研磨硅粉在减小的压力下加热到低于硅熔点的某个温度；以及(iii)将加热的研磨硅粉在所述温度下保持足够长的一段时间，以能够去除至少一种金属或者非金属杂质。2.依据权利要求1的方法，其中，温度在大约1000℃到低于1410℃的温度之间。3.依据权利要求1或2的方法，其中，该杂质是磷。4.依据权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：G伯恩斯，J拉博，S伊尔麦茨，
申请(专利权)人：陶氏康宁公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]