CN113697815A - 一种利用复合亲硼添加剂去除冶金级硅中硼的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种利用复合亲硼添加剂去除冶金级硅中硼的方法,属于硅提纯技术领域。本发明将冶金级硅加热熔融得到含B的Si熔体,将复合亲硼添加剂加入到含B的Si熔体得到混合熔体;将氩气通入到混合熔体中并在温度为1414~1600℃下精炼1~3h,随炉冷却至室温得到精炼硅;精炼硅研磨成150~200目的硅粉,硅粉依次经王水、HF‑HCl混酸清洗0.5~6h得到高纯硅。本发明复合亲硼添加剂协同强化在精炼过程中脱除冶金级硅中硼,硼的脱除率接近100%,不会对Si造成二次污染。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用复合亲硼添加剂去除冶金级硅中硼的方法,属于硅提纯技术领域。
背景技术
到目前为止,太阳能级硅(SOG-Si)主要由冶金级硅(MG-Si)通过各种提纯工艺制成。而杂 质去除是从冶金级硅中获得太阳能级硅所需的纯化过程,对硅基太阳能电池的制备至关重要。
太阳能电池生产过程中对硼的去除要求越来越高,当B浓度高于0.3ppmw时,少数载 流子的寿命就会因B–O缺陷而急剧缩短,进而严重影响电池的光电转换效率。
冶金法生产SOG-Si,有效降低生产成本、降低光伏发电成本,促进太阳能电池行业水平 的高速发展和整体提高。冶金法中的各种冶金净化工艺主要包括气体吹炼、炉渣处理、等离 子体精炼、酸浸、溶剂精炼等,气体吹炼能够有效去除硅中的硼,但部分硅会被氧化成二氧 化硅和一氧化硅,造成少量的硅损失。除此之外,硼化物的饱和蒸气压在正常情况下都很低, 这限制了除B反应速率。炉渣处理可以降低硅中硼的含量,但精炼硅需要较大的渣硅比(μ), 且熔渣颗粒很难与液态硅充分接触。等离子体精炼对铝、钙、铁和硼都有很好的脱除效果, 而该技术存在生产设备昂贵、能耗高、间歇性生产等缺点,限制了其工业化应用的发展。酸 浸湿法提硅不能在相应的凝固组成下以低于其溶解极限的B浓度精制Si。
发明内容
本发明针对冶金级硅中硼难以处理的问题,提出了一种利用复合亲硼添加剂去除冶金级 硅中硼的方法,即采用复合亲硼添加剂协同在精炼过程中脱除冶金级硅中硼,硼的脱除率接 近100%,不会对Si造成二次污染。
一种利用复合亲硼添加剂去除冶金级硅中硼的方法,具体步骤如下:
(1)将冶金级硅加热熔融得到含B的Si熔体,将复合亲硼添加剂加入到含B的Si熔体得到混合熔体;
(2)将氩气通入到混合熔体中并在温度为1414~1600℃下精炼1~3h,随炉冷却至室温 得到精炼硅;
(3)精炼硅研磨成150~200目的硅粉,硅粉依次经王水、HF-HCl混酸清洗0.5~6h得 到高纯硅。
所述步骤(1)复合亲硼添加剂包括Hf和Zr,Hf和Zr的摩尔比为3:1~1:3;
所述步骤(1)混合熔体中复合亲硼添加剂的摩尔含量为200~10000ppm;
所述步骤(3)HF-HCl混酸中HF和HCl的体积比为1:5~5:1。
复合亲硼添加剂协同去除冶金级硅中硼的原理:
用Zr-Hf复合添加剂脱硼时,将同时发生下列脱硼反应:
同时熔体中还出现下列耦合反应:
[Hf]+(ZrB2)=(HfB2)+[Zr] (3)
(ZrB2)+(HfB2)=(ZrB2·HfB2) (4)
两种脱硼元素同时参与脱硼,耦合形成的产物则结合成复杂的化合物ZrB2·HfB2,与脱 硼元素的平衡浓度有关,因而能使它们分别脱硼形成的产物的活度降低,从而使平衡的 w[B]降低。另外,它们的脱硼产物形成了低熔点的复杂化合物,又使脱硼产物易于聚合及排 出。因为Hf的脱硼能力比Zr的脱硼能力强,故强脱硼元素又能从弱脱硼元素形成的脱硼产 物中夺取硼而使之分解,出现了反应(3)。与熔体中w[B]%平衡的弱脱氧元素的w[Zr]%,要比 与此w[B]%平衡的强脱硼元素的w[Hf]%高得多。故w[Zr]%仅能控制反应(2)的w[B]%,而 w[Hf]%则控制了整个熔体的硼浓度,它比Hf单独脱硼时的低(因为a(HfB2)降低了),所以弱脱 硼剂能提高强脱硼剂的脱硼能力。
本发明的有益效果是:
(1)本发明中复合亲硼添加剂Hf和Zr协同去除冶金级硅中的硼,Zr促进Hf捕获B形成硼化物,更易往液相迁移以降低B的分凝系数,达到强化除B的目的,实现硅中硼的 去除率接近100%;
(2)本发明复合亲硼添加剂Hf和Zr在Si与硅合金熔体中的分凝系数小,易在凝固精 炼过程中被去除而不对Si造成二次污染;
(3)本发明复合亲硼添加剂Hf和Zr在精炼除硼的基础上,可同步去除冶金级硅的Ti,V,Al等杂质;
(4)本发明方法可用于高纯硅的规模化生产,低温操作有利于降低成本,操作简单且 实用性强。
附图说明
图1为本发明工艺流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细说明,但本发明的保护范围并不限于所述 内容。
实施例1:本实施例中冶金级硅中元素含量见表1,
表1冶金级硅中元素含量ppmw
一种利用复合亲硼添加剂去除冶金级硅中硼的方法(见图1),具体步骤如下:
(1)采用竖式电阻炉将冶金级硅加热熔融得到含B的Si熔体,将复合亲硼添加剂加入 到含B的Si熔体得到混合熔体;其中复合亲硼添加剂包括Hf和Zr,Hf和Zr的摩尔比为 1:3;混合熔体中复合亲硼添加剂的摩尔含量为200ppm;
(2)将氩气通入到混合熔体中并在温度为1420℃下精炼1h,关闭氩气,随炉冷却至室 温得到精炼硅;其中氩气的通入流量为10L/min;
(3)精炼硅研磨成150~200目的硅粉,硅粉依次经王水、HF-HCl混酸清洗0.5h得到高纯硅,其中HF-HCl混酸中HF和HCl的体积比为1:5;
利用ICP-AES和ICP-MS测定高纯硅中元素含量(见表2),
表2高纯硅中元素含量ppmw
本实施例中利用复合亲硼添加剂,硅中硼的去除率达98.82%。
实施例2:本实施例中冶金级硅中元素含量见表3,
表3冶金级硅中元素含量ppmw
一种利用复合亲硼添加剂去除冶金级硅中硼的方法(见图1),具体步骤如下:
(1)采用竖式电阻炉将冶金级硅加热熔融得到含B的Si熔体,将复合亲硼添加剂加入 到含B的Si熔体得到混合熔体;其中复合亲硼添加剂包括Hf和Zr,Hf和Zr的摩尔比为 1:2;混合熔体中复合亲硼添加剂的摩尔含量为1000ppm;
(2)将氩气通入到混合熔体中并在温度为1500℃下精炼2h,关闭氩气,随炉冷却至室 温得到精炼硅;其中氩气的通入流量为15L/min;
(3)精炼硅研磨成150~200目的硅粉,硅粉依次经王水、HF-HCl混酸清洗3.0h得到高纯硅,其中HF-HCl混酸中HF和HCl的体积比为1:3;
利用ICP-AES和ICP-MS测定高纯硅中元素含量(见表4),
表4高纯硅中元素含量
本实施例中利用复合亲硼添加剂,硅中硼的去除率达98.96%。
实施例3:本实施例中冶金级硅中元素含量见表5,
表5冶金级硅中元素含量
一种利用复合亲硼添加剂去除冶金级硅中硼的方法(见图1),具体步骤如下:
(1)采用竖式电阻炉将冶金级硅加热熔融得到含B的Si熔体,将复合亲硼添加剂加入 到含B的Si熔体得到混合熔体;其中复合亲硼添加剂包括Hf和Zr,Hf和Zr的摩尔比为 1:1;混合熔体中复合亲硼添加剂的摩尔含量为4000ppm;
(2)将氩气通入到混合熔体中并在温度为1600℃下精炼3h,关闭氩气,随炉冷却至室 温得到精炼硅;其中氩气的通入流量为20L/min;
(3)精炼硅研磨成150~200目的硅粉,硅粉依次经王水、HF-HCl混酸清洗6.0h得到高纯硅,其中HF-HCl混酸中HF和HCl的体积比为1:1;
利用ICP-AES和ICP-MS测定高纯硅中元素含量(见表6),
表6高纯硅中元素含量
本实施例中利用复合亲硼添加剂,硅中硼的去除率达99.25%。
实施例4:本实施例中冶金级硅中元素含量见表7,
表7冶金级硅中元素含量
一种利用复合亲硼添加剂去除冶金级硅中硼的方法(见图1),具体步骤如下:
(1)采用竖式电阻炉将冶金级硅加热熔融得到含B的Si熔体,将复合亲硼添加剂加入 到含B的Si熔体得到混合熔体;其中复合亲硼添加剂包括Hf和Zr,Hf和Zr的摩尔比为 2:1;混合熔体中复合亲硼添加剂的摩尔含量为8000ppm;
(2)将氩气通入到混合熔体中并在温度为1500℃下精炼2h,关闭氩气,随炉冷却至室 温得到精炼硅;其中氩气的通入流量为15L/min;
(3)精炼硅研磨成150~200目的硅粉,硅粉依次经王水、HF-HCl混酸清洗3.0h得到高纯硅,其中HF-HCl混酸中HF和HCl的体积比为3:1;
利用ICP-AES和ICP-MS测定高纯硅中元素含量(见表8),
表8高纯硅中元素含量
本实施例中利用复合亲硼添加剂,硅中硼的去除率达99.64%。
实施例5:本实施例中冶金级硅中元素含量见表9,
表9冶金级硅中元素含量
一种利用复合亲硼添加剂去除冶金级硅中硼的方法(见图1),具体步骤如下:
(1)采用竖式电阻炉将冶金级硅加热熔融得到含B的Si熔体,将复合亲硼添加剂加入 到含B的Si熔体得到混合熔体;其中复合亲硼添加剂包括Hf和Zr,Hf和Zr的摩尔比为 3:1;混合熔体中复合亲硼添加剂的摩尔含量为10000ppm;
(2)将氩气通入到混合熔体中并在温度为1500℃下精炼2h,关闭氩气,随炉冷却至室 温得到精炼硅;其中氩气的通入流量为15L/min;
(3)精炼硅研磨成150~200目的硅粉,硅粉依次经王水、HF-HCl混酸清洗3.0h得到高纯硅,其中HF-HCl混酸中HF和HCl的体积比为5:1;
利用ICP-AES和ICP-MS测定高纯硅中元素含量(见表10),
表10高纯硅中元素含量
本实施例中利用复合亲硼添加剂,硅中硼的去除率达99.75%。
以上结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明,但是本发明并不限于上述实施方 式,在本领域普通技术人员所具备的知识范围内,还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出 各种变化。
Claims (4)
1.一种利用复合亲硼添加剂去除冶金级硅中硼的方法,其特征在于,具体步骤如下:
(1)将冶金级硅加热熔融得到含B的Si熔体,将复合亲硼添加剂加入到含B的Si熔体得到混合熔体;
(2)将氩气通入到混合熔体中并在温度为1414~1600℃下精炼1~3h,随炉冷却至室温得到精炼硅;
(3)精炼硅研磨成150~200目的硅粉,硅粉依次经王水、HF-HCl混酸清洗0.5~6h得到高纯硅。
2.根据权利要求1所述利用复合亲硼添加剂去除冶金级硅中硼的方法,其特征在于:步骤(1)复合亲硼添加剂包括Hf和Zr,Hf和Zr的摩尔比为3:1~1:3。
3.根据权利要求1所述利用复合亲硼添加剂去除冶金级硅中硼的方法,其特征在于:步骤(1)混合熔体中复合亲硼添加剂的摩尔含量为200~10000ppm。
4.根据权利要求1所述利用复合亲硼添加剂去除冶金级硅中硼的方法,其特征在于:步骤(3)HF-HCl混酸中HF和HCl的体积比为1:5~5:1。
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