一种利用Al-Zr合金提纯工业硅的方法技术

本发明专利技术涉及太阳能领域，尤其涉及一种合金法提纯工业硅的方法。将工业硅、铝粒和锆柱三种合金元素按照一定的比例配置混合装入坩埚中，将坩埚放置石英管内，采取真空密封后，将其放入箱式炉中升温至900‑1100℃经行熔炼，保温2‑3h，随炉以不同的冷却速度进行冷却至580‑600℃，最后空冷。本发明专利技术通过加入少量的Zr元素，一方面杂质B溶解在Si与Zr所形成的化合物Si2Zr中，便于杂质B的去除；另一方面可以有效的增加初晶硅的枝晶宽度和在组织中的占有比例。本发明专利技术方法周期短、能耗低、污染小、技术稳定、能够快速大量的去除工业硅中的B元素。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及太阳能领域，尤其涉及一种合金法提纯工业硅的方法。
技术介绍
为了缓解能源短缺和环境污染等问题，光伏发电作为太阳能应用的主要技术形式，其市场需求近10年来以平均每年30％的速度增长。太阳能光伏电池中80％以上是晶硅太阳能电池，以多晶硅为主要原材料。硅在自然界中以氧化硅和硅酸盐的形式存在，经还原的单质硅中含有不同浓度的杂质，但是太阳能电池对多晶硅的纯度要求是6N以上，并且硅原料的提纯成本占据太阳能电池生产成本的40％-60％，因此，低成本的工业硅提纯技术在太阳能电池的发展中显得至关重要。目前工业硅的提纯方法主要有化学法和冶金法两种。化学法主要采用的就是西门子法，其主要原理是利用氢气对三氯氢硅进行还原得到高纯度的多晶硅。在用于大量生产太阳能级多晶硅存在许多缺点。首先是尾气回收成本大，能耗高，污染严重；其次还存在投资成本高以及技术垄断等因素的制约。相对比与化学法，冶金法制备太阳能级多晶硅由于成本低，越来越受到广泛的认可。冶金法提纯工业硅主要是采用物理的手段，在不改变硅的化学性质下进行除杂。其主要的技术有合金法、真空熔炼法、电子束熔炼法等等。合金法作为冶金法的一种，具有成本低，周期短，污染小等特点故受到人们的关注。相对比与合金法，真空熔炼是在真空状态下，将冶金级硅进行高温熔炼，在熔融状态下保持一段时间，硅中的挥发性杂质元素将从液态硅中挥发出来，在真空中有效去除。可以根据杂质元素的饱和气压大的原理，来有效的去除P、Ca等杂质。但是该方法：一方面，只能去除饱和蒸汽压大的杂质，对于其余杂质没有任何影响；另一方面，设备投资大并且耗能高，很难用于批量生产。其次，电子束熔炼也只能去除P、Ca，对于B的去除很难。因此，对于生产太阳能级多晶硅的最大难题就是除去杂质B。
技术实现思路
本专利技术的目的是在于克服上述问题，本方法采用合金法提纯工业硅的方法，能有效的、快速的、大量的去除工业硅中的B，以满足太阳能级多晶硅的要求，具有较高的经济收益和能耗低等优点。本专利技术的具体实施方式提供一种合金化提纯工业硅的方法，包括：(1)采用无机酸对工业硅和铝粒进行酸洗，除去杂质，过滤，干燥；用400#的粗砂纸对锆柱表面进行打磨。(2)利用精度为万分之一的电子秤，按质量百分比称量好工业硅，铝粒和锆柱，装入坩埚内。(3)将坩埚放入装有石英碎片的石英管中，利用真空机组将石英管抽为真空状态，然后密封。(4)将用真空密封处理后的含有样品的坩埚的密封石英管放入箱式炉(KBF1600)中升温至900-1100℃后保温2-3h，再分别以不同的冷却速率冷却到580-600℃，然后空冷至室温。(5)将获得的样品经过酸洗处理提纯后得到高纯硅。上述的一种合金化提纯工业硅的方法，其特征在于：所述步骤(1)中的采用无机酸对工业硅和铝粒进行酸洗，指依次用7-15wt％的HCl和20-40wt％的HF对对工业硅和铝粒进行酸洗。上述的一种合金化提纯工业硅的方法，其特征在于：所述步骤(1)中的工业硅纯度为98.5wt.％以上，B的含量为20-30ppmv；铝粒和锆柱的纯度为99.9wt.％以上；Al与Si的质量比是2.2-3.2:1，Zr柱与Al-Si熔体的质量比是0.03-0.11:1；进一步地，优选为Al与Si的质量比是3.0-3.1:1，Zr柱与Al-Si熔体的质量比是0.10-0.11:1。上述的一种合金化提纯工业硅的方法，其特征在于：所述步骤(4)中不同的冷却速度是1-3℃/min。上述的一种合金化提纯工业硅的方法，其特征在于：所述步骤(5)中的酸洗步骤是先将样品放置在6-12mol/L的HCl中将铝除去，操作时间为6-10h，再将样品放置到王水中去除其余杂质,操作时间为20-24h。上述的一种合金化提纯工业硅的方法，其特征在于：所述步骤(5)中高纯硅中的B含量小于1ppmv。本专利技术的显著效果在于：1.对样品进行酸洗除杂，以避免将杂质带入到实验过程中去，造成实验过程和结果的偏差。2.在合金中添加适量的金属元素Zr时，一方面B溶解在Si与Zr所形成的化合物Si2Zr中；另外B的增加可以使初晶硅的枝晶宽度变宽，使初晶硅的回收率也大大提高。3.合金法提纯能耗低，操作简单，污染小，周期短，具有很好的环保效益，能在短时间内除去工业硅中的B元素。综上所述，该专利技术能有效的、快速的、大量的去除工业硅中的杂质B，从而满足实际生产需要的太阳能多级硅的要求。附图说明附图1是Al-Si-Zr合金的扫描电镜图，(a)75.26％Al-24.74％Si,冷却速度1℃/min；(b)72.80％Al-23.93％Si-3.27％Zr,冷却速度1℃/min；(c)70.45％Al-23.16％Si-6.39％Zr,冷却速度1℃/min；(d)68.20％Al-22.42％Si-9.38％Zr,冷却速度1℃/min；(e)68.20％Al-22.42％Si-9.38％Zr,冷却速度3℃/min；(f)68.20％Al-22.42％Si-9.38％Zr,冷却速度5℃/min；上述含量均为质量百分比含量。附图2为本专利技术合金化提纯工业硅的流程图。具体实施方式：实施例1(1)采用20-40％的HF和7-15％的HCl分别对工业硅和铝粒进行酸洗，工业硅酸洗时间为5-10min,铝粒为7-15min,直到铝粒表面有气泡产生，酒精清洗，过滤，干燥。(2)利用精度为万分之一的电子秤，按比称量好工业硅、铝粒、锆柱，按质量百分比计，合金的成分为：Al75.26％、Si24.74％；将元素均匀混合，装入坩埚内。(3)将坩埚放入装有石英碎片的石英管中，利用真空机组将石英管抽为真空状态，然后密封。(4)将用真空密封处理后的含有样品的坩埚的密封石英管放入箱式炉(KBF1600)中升温至900-1100℃后保温2-3h，再以1℃/min的冷却速率冷却到580-600℃，然后空冷至室温。(5)高纯硅的提纯：样品在室温下，用6-12mol/L稀盐酸浸泡6-10h后，用酒精清洗残余样品；其次在35-50℃的环境下，用王水(硝酸：盐酸＝1：3)浸泡样品20-24h,用酒精洗净吹干。通过上述步骤得到的75.26％Al-24.74％Si,冷却速度为1℃/min的合金的扫描电镜照片如图1(a)所示，可以看出，当合金中不含Zr时，合金的基体组织主要由条状的初晶Si和共晶组织构成。经ICP-AES检测，所得的高纯硅中的B含量为8.6ppmv。实施例2(1)采用20-40％的HF和7-15％的HCl分别对工业硅和铝粒进行酸洗，工业硅酸洗时间为5-10min,铝粒为7-15min,直到铝粒表面有气泡产生，酒精清洗，过滤，干燥；其次用400#的粗砂纸对锆柱表面进行打磨，去除氧化物。(2)利用精度为万分之一的电子秤，按比称量好工业硅、铝粒、锆柱，按质量百分比计，合金的成分为：Al72.80％、Si23.93％、Zr3.27％；将元素均匀混合，装入坩埚内。(3)将坩埚放入装有石英碎片的石英管中，利用真空机组将石英管抽为真空状态，然后密封。(4)将用真空密封处理后的含有样品的坩埚的密封石英管放入箱式炉(KBF1600)中升温至900-1100℃后保温2-3h，再以1℃/min的冷却速率冷却到580-600℃，然后空冷至室温本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用Al‑Zr合金提纯工业硅的方法，其特征在于：将工业硅、铝粒和锆柱按照一定的比例配置混合装入坩埚中，将坩埚放置石英管内，采取真空密封后，将其放入箱式炉中升温至900‑1100℃熔炼，保温2‑3h，随炉冷却至580‑600℃，空冷至室温，酸洗处理；通过加入Zr元素，一方面杂质B溶解在Si与Zr所形成的化合物Si2Zr中，便于杂质B的去除；另一方面可以有效的增加初晶硅的枝晶宽度和在组织中的占有比例。

【技术特征摘要】
1.一种利用Al-Zr合金提纯工业硅的方法，其特征在于：将工业硅、铝粒和锆柱按照一定的比例配置混合装入坩埚中，将坩埚放置石英管内，采取真空密封后，将其放入箱式炉中升温至900-1100℃熔炼，保温2-3h，随炉冷却至580-600℃，空冷至室温，酸洗处理；通过加入Zr元素，一方面杂质B溶解在Si与Zr所形成的化合物Si2Zr中，便于杂质B的去除；另一方面可以有效的增加初晶硅的枝晶宽度和在组织中的占有比例。2.如权利要求1所述的一种利用Al-Zr合金提纯工业硅的方法，其特征在于，具体步骤如下：(1)采用无机酸对工业硅和铝粒进行酸洗，除去杂质，过滤，干燥；用400#的粗砂纸对锆柱表面进行打磨；(2)利用精度为万分之一的电子秤，按质量百分比称量好工业硅，铝粒和锆柱，装入坩埚内；(3)将坩埚放入装有石英碎片的石英管中，利用真空机组将石英管抽为真空状态，然后密封；(4)将用真空密封处理后的含有样品的坩埚的密封石英管放入箱式炉中升温至900-1100℃后保温2-3h，再分别以不同的冷却速率冷却到580-600℃，然后空冷至室温；(5)将获得的样品经过酸洗处理提纯后得到高纯硅。3.如权利要求2所述的一种利用Al-Zr合金提纯工业硅的方法，其特征在于，所述步骤(1)中的采用无机酸对工业硅和铝粒进行酸洗，指依次用7-15wt％的H...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘亚，汤茂友，苏旭平，王建华，
申请(专利权)人：常州大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32