[发明专利]一种从碳还原剂中除磷和硼的方法

说明书

技术领域

本发明属于太阳能硅材料提纯领域，涉及一种从碳还原剂中除磷和硼的方法。 

背景技术

在太阳能级多晶硅的生产和提纯的过程中，尤其是物理或冶金法(也包括化学法)制备提纯多晶硅的过程中，最难以去除的杂质是磷元素和硼元素。通常，为了将硅中的磷元素和硼元素的含量从通常的十个PPM以上，降低到太阳能电池所需的0.1ppm，需要进行高温精炼、真空熔炼等工序，而且，通常还只能达到1个ppm以上的程度，不能满足太阳能电池的要求。 

金属硅中的杂质主要有两个来源，一个是硅石矿中含有微量的硼，另外一个是碳还原剂。通常，如果为了进行太阳能级硅材料的冶炼，人们可以选用含硼和磷较低的硼矿，而还原剂则主要采用木炭、焦炭、焦煤或石油焦。其中，以石油焦的磷和硼的含量最低。但即便是很纯净的石油焦，其硼的含量也在4ppm左右，而磷含量通常高达10ppm甚至50ppm以上。通常，在经过金属硅的冶炼工艺后，最后残余在金属硅中的磷和硼元素最低可以低到分别为10ppm和4ppm。 

这样的磷硼含量在经过常规的物理法或冶金法提纯后，可以制成太阳能电池，但成本较高。因为，磷硼由于与硅的许多化学性质相近。尤其是硼元素，因熔点比硅还高，而在硅中的分凝系数是0.8，因此，无论采用真空熔炼还是定向凝固，都很难将硅中的磷和硼降到1个ppm以下。而太阳能级的硅则应当将磷和硼都除到0.1ppm以下。 

因此，在金属硅形成之前，如果将生产金属硅所用的原料中的磷和硼从 原料中先行去除，则将会大大减少提纯成本。由于生产金属硅的主要还原剂是碳，而从碳中分离磷和硼将比从硅中去除磷和硼要简便得多。 

无论是焦炭、木炭还是石油焦，作为金属硅冶炼的还原剂来说，主要成份都是碳元素，因此，统称为碳还原剂。同时，这些碳还原剂中，又存在着许多杂质，统称为灰分。如果各类碳还原剂都按照最佳的工艺生产的话，则石油焦的灰分可以达到最低。但其中的硼往往也超过2ppm；但石油焦高温比电阻低，影响电极下插，反应能力差；粉料多、烧损大，炉底部易缺碳，透气性不好，大粒度数量多，比电阻小，电极易上抬。因此，在冶炼时，往往还需要添加些木炭，而木炭中的磷和硼主要来源于原木。 

以上所有的碳还原剂都具有疏松和多孔的性质，因此比表面积较大。这样，采用化学方法处理的时候，无论是采用气体还是液体态的反应物质，都比较容易渗入到还原剂内部，与碳还原剂内部的杂质进行充分接触和反应。 

发明内容

本发明主要目的是为了解决上述问题，提供一种从碳还原剂中除磷和硼的方法，使得碳还原剂中的磷和硼含量都降低到1％以下，大大减少后续的提纯成本。 

为了达到上述目的，本发明提供的技术方案是：一种从碳还原剂中除磷和硼的方法，首先将碳还原剂处理到大小为30-120mm后，将碳还原剂放入一个装有酸洗液的酸洗池中浸泡；浸泡的同时，对酸洗池中的酸洗液进行加热，将温度提升至60℃以上；浸泡至少8小时，最长可以到32小时，时间再延长，效果仍然会有改善，但时间成本将会提高，然后将碳还原剂从池内取出；沥干液体后，将碳还原剂放入装有碱性溶液的中和池中；在碱性溶液PH值达到7的时候，将碳还原剂取出，放入纯净水清洗池中冲洗干净；当清洗池中纯净水PH值达到7后，将碳还原剂取出烘干即可。 

酸洗液由HF，HCL，HNO₃和H₂SO₄中一种或几种的水溶液组成。 

酸洗液PH值小于1，浓度在5％到20％之间。 

对酸洗池进行加热的方式为：红外、微波、电加热或蒸汽加热。 

纯净水为电阻率大于15M欧姆厘米的中性纯净去离子水。 

实施时，浸泡过程中，酸洗液中的物质将充满还原剂的每个缝隙，由于碳还原剂的疏松性质，酸洗液将与碳还原剂内部充分接触；在浸泡的同时，适当地加温，通常温度在60度到100度左右，这样的温度可以使酸与磷硼的反应产物以适当的速度挥发，温度如果进一步提高，挥发的效果和反应的速度会更好，但由于酸洗液本身也会挥发，因此会造成成本的增加；对酸洗液加温的方式可采用红外、微波、电加热、蒸汽加热等各种方式；如果采用蒸汽加热，建议采用石墨管作为蒸汽管道，使石墨与酸液进行热交换，这样，在加热的过程中，蒸汽不与酸洗液接触，从而不会对溶液起到稀释作用；如果将蒸汽直接通入池内，虽然热效率高，但溶液会被蒸汽稀释，需要在处理过程中不断地补充酸液。