[发明专利]一种定向凝固造渣精炼提纯多晶硅的方法

说明书

技术领域

本发明属于用物理冶金技术提纯多晶硅的技术领域，特别涉及一种利用定向凝固技术进行造渣熔炼，从而去除多晶硅中硼和金属杂质的方法。

背景技术

在能源紧缺、倡导低碳环保的社会，太阳能作为一种环保新能源，具有重大的应用价值。近年来，全球太阳能光伏产业迅速增长，太阳能电池产量快速增加，直接拉动了太阳能多晶硅需求的急剧膨胀。

目前提纯太阳能多晶硅的方法主要有化学提纯和物理提纯，化学提纯主要是西门子法，它的优势在于产品纯度高，品质好，但其技术掌握在少数发达国家，且相应投资大，成本高，还会产生有害气体。冶金法是目前制造多晶硅的热门方法，它产量高，投资少，成本低，无污染，随着近些年该研究领域的迅猛发展，冶金法提纯太阳能级多晶硅的技术路线趋于成熟，采用定向凝固工艺可以有效的去除其中的金属杂质，电子束熔炼可以去除杂质P，目前集中的难点在于对杂质B的去除，由于B的分凝系数大（为0.8），饱和蒸汽压低，无法用上述方式去除，目前急需一种低能耗且能够有效去除B的方法。

造渣熔炼是一种有效去除B杂质的方法，通过高温造渣熔炼的方式可有效的将熔硅中的B杂质与渣剂中的氧化性成分反应生成硼氧化物，随渣剂与硅液的分离过程而去除，因此利用造渣除B是一种行之有效的方法。造渣熔炼常用的造渣剂有CaO-SiO₂，Na₂O-CaO-SiO₂, CaF₂-CaO-SiO₂等，日本的Suzuki 和 Sano研究了钙系渣的除B效果，BaO-CaO-SiO₂系获得的最大分配系数在2左右，因此要达到太阳能级硅材料要求就需要进行多次造渣，或者很大的渣硅比，这在要求低成本的工业推广中可行性不大。日本的Morita等对造渣熔炼做了系统的研究，得出影响分配系数的主要因素有渣剂的碱度，氧分压以及B在熔体中的分布状态，但从结果上看也不是非常理想，难以达到工业化的要求。

已有技术中公开了专利号为200810068908.0的一种太阳能级硅的制备方法和专利号为201010215098.4的冶金法制备太阳能级多晶硅的方法和该方法制备的多晶硅，但这两个专利中造渣熔炼采用的定向凝固炉的加热方式是感应熔炼加热，这种加热方式对硅渣熔体产生较大的扰动，不利于反应后的废渣从熔体中的稳定分离，硼的去除效果不佳。

发明内容

本发明的目的是克服上述不足问题，提供一种定向凝固造渣精炼提纯多晶硅的方法，结合利用造渣熔炼和定向凝固技术，同时去除硼和金属杂质，达到太阳能级多晶硅材料的使用要求。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种定向凝固造渣精炼提纯多晶硅的方法，首先将多晶硅料及酸性造渣剂均匀混合形成混合料，然后将混合料放于定向凝固炉（参见发明专利：一种多晶硅定向凝固设备，ZL200810012354.2）的熔炼坩埚中，在熔炼坩埚中进行造渣熔炼，同时进行定向凝固使金属杂质和废渣聚集在硅锭的顶部，同时去除硼和金属杂质，最后切去硅锭的顶部，得到低硼、低金属的多晶硅锭。

所述具体步骤如下：

首先将多晶硅料用去离子水清洗4-5次，放入烘干箱中60℃烘干，将烘干的多晶硅料与酸性造渣剂按比例均匀混合形成混合料；

然后将混合料缓慢倒入定向凝固炉内的熔炼坩埚中，关闭炉盖，打开机械泵抽真空至900Pa以下，后打开罗茨泵抽真空至4Pa以下，打开定向凝固炉的上部、侧部及下部三个石墨发热体，并保持三个发热体的功率相同，开始加热升温，当温度升高至1100-1200℃时，通入流动氩气保护，升温至1500-1700℃后保温0.5-3h，先降低下部石墨发热体功率，后降低侧部石墨发热体功率，使得硅渣熔体从底部向顶部形成温度梯度，同时按照0.1-5℃/min的冷却速率降低硅渣熔体的温度，产生定向凝固，硅渣熔体全部凝固后加速降温，直到冷却至室温；

最后取出硅锭，切去硅锭顶部金属杂质及废渣，即可得到低硼、低金属的多晶硅锭。

所述加入的多晶硅料为块料或粉料。

所述加入的酸性造渣剂为SiO₂-CaO-Na₂CO₃或SiO₂-CaO- Na₂O，其中SiO₂质量百分比为60-80%，CaO质量百分比为15-25%，Na₂CO₃ 或Na₂O 质量百分比为5-15%。