[发明专利]硅基原料的提纯方法和设备

说明书

技术领域

本发明涉及硅基原料提纯方法和用于实施这种方法的设备。

背景技术

已知现今光伏硅的生产不足以响应市场的当前需求，出于对可再生能源的兴趣的原由，光伏硅市场急剧增长。在数年中光伏硅供应基于电子硅废料，这种材料在当今和未来的稀缺性因而引起价格的增长，而这与该市场的计划性扩张是不相兼容的。

即便研究工作采用硅之外的材料展开，以将光能转化为热能或电能，但硅仍旧是基准材料。

同样地，光伏硅生产的其它分支正得到积极地开发：或通过相对于为生产电子硅而实施的方法简化的化学方法，或通过高温电化学方法。

光伏产业需要高纯度的硅来生产光伏电池、或太阳能电池。这种光伏硅是具有99.9999％的硅含量的一种多晶硅。剩余部分，100ppm，由杂质组成，杂质的各自含量应包含在以下限值内：

-硼＜0.3ppm，

-磷＜1ppm，

-金属杂质总量＜100ppm，

-碳＜10ppm，

-氧＜10ppm。

冶金硅是一种低纯度硅，因此需要对冶金硅进行提纯，以生产光伏品质的硅。

已知提纯冶金硅以特别消除是硼和磷这样的杂质的许多方法。

通过专利文献US 4354987已知通过使用利用石墨感应器的感应加热，对已提纯的粉末硅在熔融后进行压实的方法。

专利文献FR 2487608和FR 2585690还描述了使用氩、氢和氧等离子化混合物在感应等离子下对硅进行提纯。专利文献US 4379777还描述了通过使用氩/氢混合物运行的感应等离子体焰炬对冶金硅进行等离子处理的方法。

清楚的是，几十年以来已进行许多研发，以对冶金硅进行提纯，并且目的在于在光伏品质下获得有竞争力的经济成本。

特别地，许多研究工作已针对热等离子体的使用，其有时与电磁或电阻的加热模式相结合，以对冶金硅进行熔融和提纯。

然而，所有这些方法具有以下弊端中的一个或另一个：

-通过需要多个步骤的复杂方法来获得所要求的提纯度。作为示例，文献“Thermodynamics of solar grade silicon refining(太阳能级硅提纯的热力学分析)”(Revue Intermetallics(金属间化合物期刊)11，2003，1111-1117)提出一种全面分析，这种分析使得提出一种冶金硅提纯方法，为达到光伏品质的这种提纯方法包括不少于五个的步骤：添加钙，酸浸滤，氧化精炼，真空处理和受控固化，每个步骤在特定杂质的制备和/或提取中有其特定作用。

-还可通过在熔融硅浴中直接添加熔剂来获得所期望的结果。

在所有的情形中，所产生的光伏硅量仍是少量的和能量平衡仍是不利的，因为或通过方便消除杂质的材料的添加、或通过所述方法步骤的增多、或通过这两者而使其加重负担。

需要注意的是时至今日，没有任何工业设备是运行的，甚至在可与市场需求和必需的成本降低相兼容的规模上更不存在。

如果坚持使用热等离子体，肯定的是：从其非污染性特征的角度来看吸引人的感应等离子体焰炬，相反地，一方面在由待处理产品注入所改变的其运行方面受到极大妨碍，另一方面受到有限的功率范围极大妨碍。

发明内容

本发明的目的因此在于提出用于对硅基原料如冶金硅进行提纯的方法和设备，从而克服现有技术的这些弊端。

有利地，本发明基于电弧热等离子体的优化使用，限制达到光伏品质的方法的步骤而无能量断裂。本发明还允许在工业运行中利用冶金硅生产大量光伏品质硅。

为此，本发明的对象在于用于获得高纯度硅的硅基原料提纯方法。

根据本发明，所述方法包括以下相继的步骤：

a)将第一非转移电弧焰炬产生的等离子体喷焰喷送到具有出口孔的空间的实心壁上，以使得所述等离子体喷焰在所述空间内在所述实心壁上的碰撞产生均匀的等离子体流，

b)在所述均匀的等离子体流中连续地引入待处理的由微粒和/或颗粒组成的、或粉碎的硅基原料，

c)从所述空间的出口孔向坩埚连续地引导由已引入粉碎硅基原料的所述均匀的等离子体流所形成的全体，其中所述坩埚具有侧壁和底部以及开放的上部分，所述坩埚包括用于将粉碎硅基原料加热到熔融状态和进行搅拌的部件，