[发明专利]一种等离子辅助造渣除硼的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种多晶硅提纯技术领域，特别是涉及一种等离子辅助造渣除硼的新方法。

背景技术

能源危机和传统能源对环境的污染已成为社会和国民经济发展的主要制约因素。为维持可持续发展，世界各国都在积极调整能源结构，大力发展可再生能源，多晶硅太阳能电池成为全球关注的热点。采用改良西门子法制备高纯多晶硅的工艺较为复杂，投资成本高，用其制备太阳能电池将会大大增加电池价格。而冶金法提纯多晶硅工艺相对简单，成本低廉，且对环境的造成污染相对较小，已成为太阳能级多晶硅的主要发展方向。

多晶硅提纯主要去除其中的杂质元素，如Al、Fe、C、P、B等，而P、B等非金属元素不易除去，特别是硼元素，由于硼在硅中的分凝系数为0.8，接近于1，并且饱和蒸汽压低，通过传统的定向凝固或真空熔炼去除无法达到要求。而硼杂质的含量对太阳能电池的性能有很大的影响，要求硼含量不高于0.3ppm，因此探索各种有效的低成本除硼方法是多晶硅提纯的研究热点。目前主要通过吹气、造渣、等离子体、定向凝固等工艺去除硅中的硼杂质。

专利CN102452651A公开了一种湿氧等离子体去除硅中硼杂质的工艺,通过射频等离子发生器形成含氧的湿氧等离子火焰,对硅液表面进行吹扫,本方法虽然可行,可以有效的降低工业硅中硼的含量，但是在工业应用上仍存在以下问题：首先，硼的去除效果仍难达到太阳能级多晶硅的纯度要求。其次，高温等离子火焰温度高，硅损失大，且设备昂贵,不适合工业上大规模生产。

美国专利US5788945公开了一种通过向硅液中连续添加助渣剂的方法，助渣剂成分为60%CaO和40%SiO2，硼从40ppmw下降至1ppmw。这种连续加助渣剂的方法，由于渣中裹硅较多，造成硅损失大，而且造渣工艺中助渣剂的用量相对过高，导致成本有所提高，同时硅也会产生一定的金属污染。

专利CN102320610A公开了一种高周波电磁诱导精炼、分批多次造渣的多晶硅脱硼提纯方法，造渣剂为Na2CO3和SiO2按照重量比1：1混合均匀，采用这种高周波电磁诱导精炼、分批多次造渣的多晶硅脱硼提纯方法，虽然可以使硼的含量降低到0.1ppm以下，满足太阳能级多晶硅的高纯度要求，但是由于造渣工艺中除硼效果不是很好，造渣剂用量相对过高，导致成本有所提高，而且由于渣中裹硅较多，造成硅损失大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种工艺简单、成本低、适合产业化推广的高压等离子辅助造渣除硼的新方法，该方法先在石墨坩埚中采用中频炉感应加热工业硅，然后在硅液中加入造渣剂，熔化反应，并采用石墨棒往硅液中通氧搅拌；开启离子发生器，将部分氧气电离成氧离子直接注入到硅液中进行精炼。通过等离子和造造渣相结合的方式，大幅度的降低硅中硼的含量，经冷却后，去除硅硅锭表面渣块可得到提纯后的精制低硼多晶硅。本发明方法解决了造渣剂用量高、高温等离子设备昂贵的问题，降低了成本，便于工业化运用。

为了实现本发明的目的，特采用如下技术方案：

一种高压等离子辅助造渣除硼的方法，包括以下步骤：

（1）将硅块装入中频感应炉石墨坩埚中加热，并熔化成硅液；

（2）向硅液中投入造渣剂，继续加热使造渣剂完全熔化，并保持硅液温度；所述造渣剂由Na₂CO₃、K₂CO₃与SiO₂组成；

（3）将带有通气孔道的石墨棒预热，待预热充分后将通气棒插入到硅液中，开始通氧气；

（4）同时开启高压离子发生器，在室温下将氧气通道中的氧气电离成氧离子并通过石墨棒注入硅液中；

（5）将步骤（4）中得到的硅液注入保温炉中凝固，待硅锭冷却后，去除硅锭表面渣块，得到提纯后的精制低硼多晶硅。