[发明专利]利用离子液体低温电解SiO2制取高纯硅薄膜的方法

说明书

技术领域

本发明属于材料技术领域，特别涉及一种利用离子液体低温电解SiO₂制取高纯硅薄膜的方法。

背景技术

工业的快速发展，消耗了大量化石燃料，排放大量的温室气体，在能源和环境的双重压力之下，可再生能源的开发成为当前热点和重点；太阳能光伏发电是世界各国重点发展的可再生能源技术之一，具有最广阔的发展前景。

中国太阳能资源非常丰富，理论储量达每年1.7万亿吨标准煤；按照我国目前规划，到2050年中国光伏发电的累计装机将达到600GWp；按照中国电力科学院的预测，到2050年，中国可再生能源的电力装机将占全国电力装机的25%，其中光伏发电装机将占到5%。太阳能光伏发电在我国未来的能源供应中将占有重要的地位。

晶体硅材料（包括多晶硅和单晶硅）是当前最主要的太阳能光伏材料，市场占有率约80~90%；太阳能电池所用原材料硅片的纯度要求达到6N以上，硅片价格占成品硅太阳能电池成本的40%左右；因此降低原材料硅片的生产成本，对降低光伏发电成本、促进光伏产业的发展起关键性作用。

目前工业上制备高纯硅的方法是用电弧炉在2000℃进行碳热还原石英砂，得到纯度为2N的冶金级硅，然后采用改良西门子法将其提纯到6~11N的高纯硅；此法生产每吨多晶硅产生超过1.6吨的CO₂和8吨的SiCl₄副产品，以及三氯氢硅、氯气等废液废气，处理成本较高，并且该流程耗电量大；目前作为最先进的改良西门子法工艺，国外企业的综合能耗约为150kWh/(kgofSi)，国内则是250~300kWh/(kgofSi)，有的甚至达到400kWh/(kgofSi)。

近年来有不少研究着力于开发太阳能级高纯硅的低成本制备新技术，分为以下几类：（1）以氟化物体系（如LiF-KF，NaF-CaF₂，LiF-KF-NaF等）或者氯化物体系（如CaCl₂，NaCl-CaCl₂-CaO等）为支撑电解质，以硅酸盐或二氧化硅为溶质电沉积硅；该工艺能耗高，生产不连续，且碳素阳极的使用，会带入一定量的硼、磷等杂质进入产物硅中，为后续物理或化学提纯硅增加了难度；（2）以高纯SiO₂作阴极，在CaCl₂熔盐中直接电脱氧，将固态SiO₂还原为硅；由于SiO₂的导电性差，导致不与阴极导电丝接触的内部还原速率慢、还原不彻底，产物Si与原材料SiO₂并存，效率过低；（3）以SiCl₄为溶质，在离子液体（如1-乙基-3-甲基咪唑，1-丁基-2-甲基吡咯烷双酰亚胺，3-甲基-n-己基铵双酰亚胺等）中电沉积Si；由于所用硅源SiCl₄是由Si直接加热氯化或SiO₂加碳氯化制备，这两种氯化过程的反应物Cl₂和产物SiCl₄均为有毒物质，需要额外处理，工艺流程长、生产成本升高；（4）在有机溶剂（如碳酸丙烯酯，乙二醇，乙腈和四氢呋喃的混合液等）中，以SiCl₄/SiHCl₃为溶质电沉积硅。该方法制备的硅中含有C，O，N和Cl等杂质，达不到太阳能级Si的纯度要求，且存在有机溶剂导电能力弱、沉积速率较低、电解质易挥发等问题。

发明内容

针对现有太阳能级高纯硅制备技术存在的上述问题，本发明提供一种利用离子液体低温电解SiO₂制取高纯硅薄膜的方法，以高纯SiO₂（≥99.995%）为原料，将其溶解于离子液体中电沉积制备太阳能级硅薄膜的短流程方法；在高效制备太阳能级硅薄膜的同时，降低生产成本。

本发明的方法按以下步骤进行：

1、准备电解质的原料，电解质的原料为氟化咪唑离子液体、冰晶石、氢氟酸溶液和二氧化硅，其中氟化咪唑离子液体占电解质总质量的94.5~99%，冰晶石占电解质总质量的0.5~1.5%，二氧化硅占电解质总质量的0.5~2%，氢氟酸溶液占电解质总质量的0~2%；所述的氟化咪唑离子液体为1,3-二甲基氟化咪唑、1-乙基-3-甲基氟化咪唑、1-丙基-3-甲基氟化咪唑或1-丁基-3-甲基氟化咪唑；所述的氢氟酸溶液的质量浓度为50%；所述的冰晶石为Na₃AlF₆；