[發(fā)明專利]一種高純硅的制備方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200810233462.2
• 申請日: 2008-10-22
• 公開（公告）號: CN101372334A
• 公開（公告）日: 2009-02-25
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 馬文會;戴永年;楊斌;劉大春;呂東;魏奎先;梅向陽;伍繼君;汪鏡福;徐寶強;郁青春;秦博
• 申請（專利權(quán)）人: 昆明理工大學(xué)
• 主分類號: C01B33/025
• 分類號: C01B33/025;C01B33/037
• 代理公司: 昆明慧翔專利事務(wù)所
• 代理人: 周一康

一、技術(shù)領(lǐng)域：本發(fā)明涉及一種利用碳還原劑和二氧化硅礦、廢棄光纖或廢石英等原料經(jīng)濟高效的制備高純硅的方法，屬于能源材料技術(shù)領(lǐng)域。

二、技術(shù)背景：隨著世界各國對不可再生能源逐漸耗盡的擔(dān)心，具有充分的清潔性、絕對的安全性、資源的廣泛性和充足性等優(yōu)點的光伏發(fā)電被認(rèn)為是21世紀(jì)最重要的新能源。最近幾年來，世界光伏產(chǎn)業(yè)每年都以30％以上的增長率保持著高速增長，專家預(yù)測光伏發(fā)電將在21世紀(jì)前半期超過核電成為最重要的基礎(chǔ)能源之一。而多晶硅是制備單晶硅和太陽能電池硅片的主要原材料，是全球電子工業(yè)和光伏產(chǎn)業(yè)的基石，預(yù)計到2010年世界光伏產(chǎn)業(yè)市場需求的多晶硅原料將超過10萬噸。而我國純度大于99.9999wt％太陽能級硅基本靠進口來滿足需求，不能滿足當(dāng)前光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需要，成為我國光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸。

雖然傳統(tǒng)的西門子法技術(shù)早就得到了工業(yè)化生產(chǎn)，但是這種生產(chǎn)技術(shù)投資大、生產(chǎn)成本高、污染環(huán)境，成本降低潛力不大，且受國外技術(shù)封鎖。因此，國內(nèi)一些專家早就開始太陽能級硅新工藝的研究。其中以冶金法制備太陽能級硅新工藝的研究最多，可以說新工藝的研究如火如荼。但是大部分冶金法制備太陽能級硅的新工藝都是基于利用硅中雜質(zhì)的分凝特性來達到除雜的目的，但是B和P的分凝系數(shù)接近1，用這種方法很難除去，而利用真空氧化和真空蒸發(fā)除B和P，不僅增加了成本，且效果也不是太理想。因此國內(nèi)外的很多專業(yè)人士都在不斷的進行新方法的嘗試。

最近幾年來，國外的很多公司如挪威的ELKEM公司、國內(nèi)的南安三晶公司提出了用冶金法生產(chǎn)太陽能級硅的構(gòu)想，如CN200480039417.3；CN02135841.9。但上述專利文件中所公開的技術(shù)存在如下問題：(1)產(chǎn)品中對太陽能電池轉(zhuǎn)換效率影響最大的B、P雜質(zhì)含量高；(2)重要的工藝技術(shù)參數(shù)不確定。

三、發(fā)明內(nèi)容：

1.發(fā)明目的：提供一種制備高純硅的方法。在本方法中，原料為各種純度的碳還原劑，二氧化硅為純度較高的二氧化硅礦、廢棄光纖或廢石英中的一種或幾種。將原料破碎球磨后放入高溫真空爐中進行高溫蒸發(fā)除雜，再進行碳熱還原反應(yīng)，分離后進行真空定向凝固即可獲得高純硅，其硅的純度為99.9999wt％以上，B、P的含量低于0.5個ppm，可以滿足太陽能電池行業(yè)所需硅原料的要求。

2.技術(shù)方案，本發(fā)明通過以下步驟實現(xiàn)：(1)、球磨：首先把原料碳還原劑和二氧化硅破碎，碳還原劑可以是各種純度的碳還原劑，或為竹炭、木炭、焦煤、褐煤中的一種或幾種，二氧化硅是純度較高的硅礦、廢光纖、廢石英中的一種或幾種，用球磨機球磨成粒徑0.5mm以下的粉末，然后將原料粉末分級過篩，得到粒徑0.3mm以下的原料；(2)、真空高溫蒸發(fā)：將原料分別置于壓強<1.33Pa、溫度>1000℃的真空爐中保溫0.1～4小時蒸發(fā)除雜，除掉大部分飽和蒸汽壓大的P、Al、S、Cl、As、Sb等雜質(zhì)元素，特別是P雜質(zhì)元素，獲得P含量低的原料；(3)、碳熱還原反應(yīng)：將高溫蒸發(fā)除雜后的碳還原劑和二氧化硅按碳：二氧化硅＝1～8:1的摩爾比混合均勻，然后將配好的物料放入高頻感應(yīng)爐或壓強<1.33Pa的真空爐中，逐漸加熱到700～1800℃之間，使兩者發(fā)生如下反應(yīng)：C+SiO₂＝SiO↑+CO↑，使物料全部反應(yīng)生成SiO氣體；(4)、歧化反應(yīng)：生成的SiO氣體在坩堝里隨著溫度降低，SiO氣體發(fā)生如下歧化反應(yīng)：2SiO＝Si+SiO₂生成B、P含量低于0.5ppm的高純硅和高純二氧化硅；(5)、分離：將反應(yīng)得到的硅和二氧化硅磨成粒徑0.15mm以下的粉末，用加熱的方式或用HF酸酸浸的方式進行分離，如果用加熱分離的方式，加熱溫度最高不高于1730℃，最低不低于1412℃。如果用HF酸酸浸，酸的濃度可以在5wt％～40wt％之間，浸出時間半小時以上；(6)、干燥:將得到的高純硅置于真空干燥箱中加熱，真空干燥箱壓強低于1000Pa，干燥溫度80～120℃，干燥時間半小時以上；(7)、真空定向凝固：將干燥后得到的硅粉放入真空定向凝固爐中進一步除雜，真空定向凝固爐的真空室壓強低于5Pa，拉升速率小于10cm/h，溫度為1420℃～1580℃，經(jīng)切頭處理后即可得到純度99.9999wt％以上，B、P含量0.5ppm以下的滿足制備太陽能電池用的高純硅。