一種等離子輔助造渣除硼的方法技術

本發明專利技術涉及一種等離子輔助造渣除硼的新方法，該方法包括以下步驟：將硅塊裝入中頻感應爐石墨坩堝中加熱，并熔化成硅液；向硅液中投入造渣劑，繼續加熱使造渣劑完全熔化，并保持硅液溫度；所述造渣劑由Na2CO3、K2CO3與SiO2組成；將帶有通氣孔道的石墨棒預熱，待預熱充分后將通氣棒插入到硅液中，開始通氧氣；同時開啟高壓等離子發生器，在室溫下將氧氣通道中的氧氣電離成氧離子并通過石墨棒注入硅液中；將得到的硅液注入保溫爐中凝固，待硅錠冷卻后，去除硅錠表面渣塊。該方法可以有效減少渣量，減少因為渣中裹硅而造成的硅損失，降低提純多晶硅的成本，提純后的精制低硼多晶硅中硼的含量較低，除硼效果好。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種多晶硅提純
，特別是涉及一種等離子輔助造渣除硼的新方法。
技術介紹
能源危機和傳統能源對環境的污染已成為社會和國民經濟發展的主要制約因素。為維持可持續發展，世界各國都在積極調整能源結構，大力發展可再生能源，多晶硅太陽能電池成為全球關注的熱點。采用改良西門子法制備高純多晶硅的工藝較為復雜，投資成本高，用其制備太陽能電池將會大大增加電池價格。而冶金法提純多晶硅工藝相對簡單，成本低廉，且對環境的造成污染相對較小，已成為太陽能級多晶硅的主要發展方向。多晶硅提純主要去除其中的雜質元素，如Al、Fe、C、P、B等，而P、B等非金屬元素不易除去，特別是硼元素，由于硼在硅中的分凝系數為0.8，接近于1，并且飽和蒸汽壓低，通過傳統的定向凝固或真空熔煉去除無法達到要求。而硼雜質的含量對太陽能電池的性能有很大的影響，要求硼含量不高于0.3ppm,因此探索各種有效的低成本除硼方法是多晶硅提純的研究熱點。目前主要通過吹氣、造渣、等離子體、定向凝固等工藝去除硅中的硼雜質。專利CN102452651A公開了一種濕氧等離子體去除硅中硼雜質的工藝，通過射頻等離子發生器形成含氧的濕氧等離子火焰，對硅液表面進行吹掃，本方法雖然可行，可以有效的降低工業硅中硼的含量，但是在工業應用上仍存在以下問題:首先，硼的去除效果仍難達到太陽能級多晶硅的純度要求。其次，高溫等離子火焰溫度高，硅損失大，且設備昂貴，不適合工業上大規模生產。美國專利US5788945公開了一種通過向硅液中連續添加助渣劑的方法，助渣劑成分為60%Ca0和40%Si02,硼從40ppmw下降至lppmw。這種連續加助洛劑的方法，由于洛中裹硅較多，造成硅損失大，而且造渣工`藝中助渣劑的用量相對過高，導致成本有所提高，同時硅也會產生一定的金屬污染。專利CN102320610A公開了一種高周波電磁誘導精煉、分批多次造渣的多晶硅脫硼提純方法，造渣劑為Na2C03和Si02按照重量比1:1混合均勻，采用這種高周波電磁誘導精煉、分批多次造渣的多晶硅脫硼提純方法，雖然可以使硼的含量降低到0.1ppm以下，滿足太陽能級多晶硅的高純度要求，但是由于造渣工藝中除硼效果不是很好，造渣劑用量相對過高，導致成本有所提高，而且由于渣中裹硅較多，造成硅損失大。
技術實現思路
本專利技術的目的在于提供一種工藝簡單、成本低、適合產業化推廣的高壓等離子輔助造渣除硼的新方法，該方法先在石墨坩堝中采用中頻爐感應加熱工業硅，然后在硅液中加入造渣劑，熔化反應，并采用石墨棒往硅液中通氧攪拌；開啟離子發生器，將部分氧氣電離成氧離子直接注入到硅液中進行精煉。通過等離子和造造渣相結合的方式，大幅度的降低硅中硼的含量，經冷卻后，去除硅硅錠表面渣塊可得到提純后的精制低硼多晶硅。本專利技術方法解決了造渣劑用量高、高溫等離子設備昂貴的問題，降低了成本，便于工業化運用。為了實現本專利技術的目的，特采用如下技術方案:一種高壓等離子輔助造渣除硼的方法，包括以下步驟:(I)將硅塊裝入中頻感應爐石墨坩堝中加熱，并熔化成硅液；(2)向硅液中投入造渣劑，繼續加熱使造渣劑完全熔化，并保持硅液溫度；所述造渣劑由Na2CO3' K2CO3與SiO2組成；(3)將帶有通氣孔道的石墨棒預熱，待預熱充分后將通氣棒插入到硅液中，開始通氧氣；(4)同時開啟高壓離子發生器，在室溫下將氧氣通道中的氧氣電離成氧離子并通過石墨棒注入硅液中；(5)將步驟(4)中得到的硅液注入保溫爐中凝固，待硅錠冷卻后，去除硅錠表面渣塊，得到提純后的精制低硼多晶硅。高溫等離子除硼是把硅中的硼變成低沸點的硼化合物氣體逸出，造渣除硼是把硼氧化成氧化硼進入渣系而去除。本專利技術提供的高壓等離子輔助造渣除硼的方法，首先采用低溫高壓等離子方法將部分氧氣電離成氧離子直接注入到硅液中，增加了硅液中氧離子的濃度，可以有效減少渣量，減少因為渣中裹硅而造成的硅損失，而且本方法所選的高壓等離子發生器設備簡單、成本低、容易使用，采用的工藝操作簡單，所選用的Na2CO3 K2CO3 SiO2雙堿金屬氧化物渣劑，可有效地把硼氧化成氧化硼進入渣系，污染少。另外，本專利技術提供的高壓等離子輔助造渣除硼的方法，得到提純后的精制低硼多晶硅中硼的含量低于0.3ppmw,除硼效果好,有利于大規模產業化推廣。所述步驟(I)中，采用中頻感應`加熱裝置將硅塊加熱熔化，硅液的溫度為1500 1800。。。所述步驟(2)中，按質量百分比計，Na2CO3為25% 35%，K2CO3為25% 35%，SiO2為30 50%。本專利技術除硼采用Na2C03 K2C03 Si02雙堿金屬氧化物渣劑，當Na2C03為25% 35%，K2CO3為25% 35%，SiO2為30 70%時，雙堿金屬氧化物渣劑將硼氧化的效果最好，可有效去除工業硅中的硼，并且相對于其它的除硼方法污染少，有利于大規模產業化推廣。優選的，所述步驟(2)中，按質量百分比計，Na2CO3為30% 35%，K2CO3為30% 35%, SiO2 為 30% 40%ο所述步驟(2)中，所述硅塊與造渣劑的質量比為1:0.6 I。本專利技術中，造渣劑的用量相對較少，極大地降低了渣中裹硅而造成的硅損失，降低了提純成本，且提純后的多晶硅中硼的含量非常低，提純效果好。優選的，所述步驟(2)中，所述硅塊與造渣劑的質量比為1:0.8 1.0。本專利技術中，硅塊與造渣劑的質量比為1:0.8 1.0時，能極大地降低精制硅中的硼含量，除硼效果非常好。所述步驟(2)中，保持硅液溫度在1500 1800°C。在此溫度下，從石墨棒注入的氧負離子和氧氣能最大限度地和硼發生氧化反應，除硼效果最好。所述步驟(3)中，所述氧氣的流量為5 12L/min，通氣反應時間為25 35min。所述步驟(4)中，所述高壓等離子發生器的工作電壓為20 30KV，通電時間I 3h。與現有技術相比，本專利技術的有益效果為:(I)本專利技術提供的高壓等離子輔助造渣除硼提純多晶硅的方法，可以有效減少渣量，減少因為渣中裹硅而造成的硅損失，降低提純多晶硅的成本；(2)所選用的Na2CO3 K2CO3 SiO2雙堿金屬氧化物洛劑,可有效地把硼氧化成氧化硼進入渣系，污染少；(3)提純后的精制低硼多晶硅中硼的含量非常低，除硼效果好；(4)本專利技術的除硼方法簡單，易操作，所選的高壓離子發生器設備簡單、成本低，有利于大規模產業化推廣 。附圖說明圖1為本專利技術提供的高壓等離子輔助造渣除硼的裝置示意圖其中:1 高壓等離子電源；2 氧氣瓶；3 高壓等離子發生器；4 橡膠管；5 鋼管；6 鋼套；7 通氣石墨棒；8 中頻感應石墨坩堝；9 線圈。具體實施例方式下面結合實施例對本專利技術進行進一步詳細的說明，但并不因此而限制本專利技術，在不脫離本專利技術設計思想的前提下，本領域技術人員對本專利技術的技術方案作出的各種變化和改進，均屬于本專利技術的保護范圍。實施例1稱取原料工業硅50kg，將硅塊裝入中頻感應爐石墨坩堝中加熱，并熔化成硅液，保持溫度為1500°C。稱取復合造渣劑，復合造渣劑Na2CO3 K2CO3 SiO2按重量百分比為=Na2CO3為25%, K2CO3為25%, SiO2為50%,復合造渣劑與工業硅的質量比為0.6:1,即30kg。向硅液中投入粉狀復合造渣劑，繼續加熱使造渣劑完全熔化，并本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種等離子輔助造渣除硼的方法，其特征在于，包括以下步驟：（1）將硅塊裝入中頻感應爐石墨坩堝中加熱，并熔化成硅液；（2）向硅液中投入造渣劑，繼續加熱使造渣劑完全熔化，并保持硅液溫度；所述造渣劑由Na2CO3、K2CO3與SiO2組成；（3）將帶有通氣孔道的石墨棒預熱，待預熱充分后將通氣棒插入到硅液中，開始通氧氣；（4）同時開啟高壓等離子發生器，在室溫下將氧氣通道中的氧氣電離成氧離子并通過石墨棒注入硅液中；（5）將步驟（4）中得到的硅液注入保溫爐中凝固，待硅錠冷卻后，去除硅錠表面渣塊，得到提純后的精制低硼多晶硅。

【技術特征摘要】
1.一種等離子輔助造渣除硼的方法，其特征在于，包括以下步驟: (1)將硅塊裝入中頻感應爐石墨坩堝中加熱，并熔化成硅液； (2)向硅液中投入造渣劑，繼續加熱使造渣劑完全熔化，并保持硅液溫度；所述造渣劑由 Na2CO3、K2CO3 與 SiO2 組成； (3)將帶有通氣孔道的石墨棒預熱，待預熱充分后將通氣棒插入到硅液中，開始通氧氣; (4)同時開啟高壓等離子發生器，在室溫下將氧氣通道中的氧氣電離成氧離子并通過石墨棒注入硅液中； (5)將步驟(4)中得到的硅液注入保溫爐中凝固，待硅錠冷卻后，去除硅錠表面渣塊，得到提純后的精制低硼多晶硅。2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟(I)中，采用中頻感應加熱裝置將硅塊加熱熔化，硅液的溫度為1500 1800°C。3.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟(2)中，按質量百分比計，所述造渣劑中，Na2CO3 為 25% 35%, K2C...

【專利技術屬性】
技術研發人員：楊鳳炳，龔炳生，李偉生，
申請(專利權)人：福建興朝陽硅材料股份有限公司，
類型：發明
國別省市：