[發明專利]一種利用硅切割廢料制備高純硅的方法

有效

• 申請號: 202011458320.3
• 申請日: 2020-12-11
• 公開（公告）號: CN112456499B
• 公開（公告）日: 2022-08-26
• 發明（設計）人: 雷云;李展超;馬文會;羨培帥
• 申請（專利權）人: 昆明理工大學
• 主分類號: C01B33/037
• 分類號: C01B33/037
• 代理公司: 天津煜博知識產權代理事務所(普通合伙) 12246
• 代理人: 朱維

本發明涉及一種利用硅切割廢料制備高純硅的方法，屬于固廢資源利用和材料制備技術領域。本發明將硅切割廢料、造渣劑和無氟無氯渣混合，在惰性氣氛中進行造渣精煉，經渣硅分離后得到塊狀硅和無氟無氯殘渣；以共晶Al?Si、Ca?Si或Mg?Si合金為精煉劑，將塊狀硅與精煉劑混合后熔化形成過共晶的Al?Si、Ca?Si或Mg?Si熔體，經定向凝固、區域熔煉或晶體生長法對過共晶Al?Si、Ca?Si或Mg?Si熔體中的硅進行分離和提純得到超冶金級硅和含少量雜質的共晶Al?Si、Ca?Si或Mg?Si合金；將超冶金級硅經真空定向凝固去除Al、Mg或Ca等雜質得到純度99.999％的高純硅。本發明通過回收處理硅切割廢料制備高純硅，同時產生的無氟無氯殘渣和含少量雜質的共晶Al?Si、Ca?Si或Mg?Si合金可以實現回收再利用。

技術領域

本發明涉及一種利用硅切割廢料制備高純硅的方法，屬于固廢資源利用和材料制備技術領域。

背景技術

由于傳統能源(如石油、天然氣和煤炭等)的大量開采和消耗，使其儲量已接近枯竭，能源短缺已成為當前制約世界各國經濟社會發展的主要問題。目前我國已連續多年成為世界上最大的能源消耗國，每年能源消耗量占到全球總量的1/5。因此，未來我國所面臨的能源問題尤其嚴重，尋找新的替代能源迫在眉睫。太陽能是一種清潔有好的新能源，其分布廣泛，儲量巨大，被普遍認為在未來的能源使用中具有光明的前景。太陽能電池便是基于光伏效應將太陽能轉化為電能的器件。

我國光伏產業的太陽能電池的裝機容量持續位居全球第一，高純硅(99.999％)是制作太陽能電池的原料，是整個光伏產業的基礎。高純硅太陽能電池的制備首先需要將多晶硅錠或單晶硅棒切割成0.18-0.19mm厚的硅片，目前晶體硅切割方法主要線切割技術和砂漿切割技術，由于硅片的厚度大約等于硅錠中的切片間隙，因此切割過程將近35％-40％的晶體硅以硅粉的形式進入切割廢料漿損失掉，造成了極大的資源浪費和嚴重的環境污染，僅每年硅切割廢料就達到了24萬噸。由于硅晶體在切割過程中會帶入大量雜質，如:冷卻液中會帶入的碳、氧元素，硅錠的固定底座被切割會帶入鋁元素等，使得硅切割廢料中硅的含量為60-90％，這些混入的雜質總量達到了10％以上且難以去除。

因此，如何高效地回收晶體硅切割硅廢料是目前所面臨的難題。目前，回收利用硅廢料有以下幾種主要方法包括相轉移、電泳和重力沉降、濕法酸洗、真空碳熱還原；制備高純碳化硅、碳化硅陶瓷、碳化硅基復合材料及其他含硅材料等，但這些方法因不同缺陷而使硅廢料的回收利用受到阻礙，所以，開發更多切實可行的硅廢料回收處理方案具有更大的意義。

發明內容

本發明針對現有技術中電池回收的問題，提供一種利用硅切割廢料制備高純硅的方法，本發明采用共晶Al-Si、Ca-Si或Mg-Si合金作為精煉劑進行硅精煉得到超冶金級硅，并將得到的超冶金硅通過真空定向凝固法去除Al、Mg或Ca等雜質，得到高純硅(99.999％)；不僅能回收利用硅切割廢料這種工業固廢，還能同時得到符合太陽能級高純度的硅材料。具有明顯的經濟效益和產業化前景。

一種利用硅切割廢料制備高純硅的方法，具體步驟如下：

(1)將硅切割廢料、造渣劑和無氟無氯渣混合，在惰性氣氛中進行造渣精煉，經渣硅分離后得到塊狀硅和無氟無氯殘渣；無氟無氯殘渣通過添加造渣劑重新調整成分后可作為原料中的無氟無氯渣循環使用；

(2)以共晶Al-Si、Ca-Si或Mg-Si合金為精煉劑，將步驟(1)塊狀硅與精煉劑混合后熔化形成過共晶的Al-Si、Ca-Si或Mg-Si熔體，經定向凝固、區域熔煉或晶體生長法對過共晶Al-Si、Ca-Si或Mg-Si熔體中的硅進行分離和提純得到超冶金級硅和含微量雜質的共晶Al-Si、Ca-Si或Mg-Si合金；含微量雜質的共晶Al-Si、Ca-Si或Mg-Si合金可作為精煉劑循環使用；

(3)將步驟(2)超冶金級硅經真空定向凝固去除Al、Mg或Ca等雜質得到純度大于99.999％的高純硅；