專利名稱：等離子火焰槍底吹熔化金屬硅中難熔元素的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及金屬硅中難熔(高熔點)元素的去除，尤其涉及去除金屬硅中所含的鈦(Ti, 熔點1725r)、硼(B，熔點23000、碳(C,熔點3550'C)。
背景技術(shù)：
近年來，由于對能源/環(huán)境問題、比如礦物燃料能源的消耗和全球變暖問題的高度關(guān) 注，使得可作為太陽能電池材料的硅的需要迅速增加。隨著光伏產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，太陽能 電池對多晶硅需求量的增長速度高于半導(dǎo)體多晶硅的發(fā)展。1994年全世界太陽能電池的 總產(chǎn)量只有69麗，而2004年就接近1200MW,在短短的10年里就增長了 17倍。專家預(yù)測 太陽能光伏產(chǎn)業(yè)在二十一世紀前半期將超過核電成為最重要的基礎(chǔ)能源之一。
目前太陽能多晶硅主要有三個來源， 一是生產(chǎn)半導(dǎo)體集成電路單晶硅的碎片；二是半 導(dǎo)體多晶體的附產(chǎn)品，即單晶棒的頭尾剩余料；三是半導(dǎo)體多晶硅產(chǎn)商用多余的產(chǎn)能生產(chǎn) 的太陽能多晶硅。
國際上電子級高純(〉11N)多晶硅原料制備的主流技術(shù)是西門子法及散氯氫硅 (SiHCl3)還原法和硅垸(SiH4)熱分解法，同時世界各國還有使用改良西門子法(即俄 羅斯法)、硅垸法、流態(tài)化床法、冶金法，其中改良西門子法占全球產(chǎn)量80%以上。但無 論哪一種方法，平均提純每公斤多晶硅原料耗電都在250 400度左右，髙能耗，高投入 低產(chǎn)出是多晶硅原料成本居高不下的主要原因，嚴重制約太陽能電池的普及使用。
太陽能多晶硅的產(chǎn)能受限于半導(dǎo)體級多晶硅的產(chǎn)能。因此，市場急需尋找一種新的、 能夠大量生產(chǎn)同時成本較低的髙純多晶硅方法。
目前世界上新一代低成本多晶硅工藝技術(shù)研究空前活躍。除了傳統(tǒng)工藝(電子級和太 陽能級兼容)及技術(shù)升級外，還涌現(xiàn)出了幾種專門生產(chǎn)太陽能級多晶硅的新工藝技術(shù)，主 要有改良西門子法的低價格工藝；冶金法從金屬硅中提取高純度硅；高純度Si02直接 制??；熔融析出法(VLD: Vaper to liquid d印osition);還原或熱分解工藝；無氯工藝 技術(shù)，Al-Si溶體低溫制備太陽能級硅；熔鹽電解法等。
3例如，中國專利申請200410003090. 6公開了一種由金屬硅制備超純硅的方法和裝置， 通過對原料破碎、雜質(zhì)化合、結(jié)晶純化三個順序步驟原理，采用以下多種工序組合作業(yè) 把金屬硅破碎為細顆粒以增大表面積；在硅顆粒中分別通入氧氣、加入鹽酸、通入氯氣的 辦法，對硅中的雜質(zhì)進行化合反應(yīng)，以使硅中的雜質(zhì)生成氧化物或氯化物；利用高溫把低 升華溫度的氯化物蒸發(fā)去除，再利用個別元素偏析系數(shù)小和氧化物的低共熔點特性，用中 間凝固技術(shù)或定向凝固技術(shù)進一步把硅中的雜質(zhì)去除。通過上述工藝和裝置來去除硅中雜 質(zhì)，把金屬硅純化為超純硅制品。中國專利申請200710052244. 4公開了一種多晶硅原料 低能耗提純制備方法，首先將經(jīng)還原處理的金屬硅粉碎，再用王水、氫氟酸等酸洗，酸洗 后送入連熔爐熔融，連熔爐內(nèi)溫度形成水平溫度梯度和垂直溫度梯度，從連熔爐出來的硅 材料進入?yún)^(qū)熔爐，使區(qū)熔爐內(nèi)形成區(qū)間溫度梯度，運用熱趨法排除硅碴，即可得到99. 9999 %純度的硅。該發(fā)明的優(yōu)點是利用傳統(tǒng)工藝設(shè)備連熔爐進行改造，使?fàn)t內(nèi)形成水平溫度 梯度和垂直溫度梯度，工藝步驟少，操作簡單，適用于所有的連熔爐。但以上2種化學(xué)方 法所使用的鹽酸、氯氣、王水、氫氟酸等化學(xué)物質(zhì)不可避免的會帶來環(huán)境污染。
此外，在用于太陽能電池的硅中所含的雜質(zhì)中，決定硅導(dǎo)電類型的元素、特別是磷和 硼的含量必須被嚴格控制。中國專利CN101054178公開了一種多晶硅的除硼方法，其步驟 為將多晶硅塊粉碎，球磨，篩選得硅粉；將硅粉用有機溶劑去油處理，并去除硅粉中的 鐵粉；將去油除鐵的硅粉放到容器內(nèi)，再將容器放到髙溫爐內(nèi)，進行濕氧氧化，再冷卻； 將冷卻后取出的硅粉放入氫氟酸溶液中腐蝕，去除樣品表面的氧化層；用水反復(fù)清洗硅粉 至流出的水顯中性為止，將硅粉去水干燥，得目標產(chǎn)品。
也有采用物理法對金屬硅熔液中進行提純的，例如，中國專利申請03803266. X提供 一種能夠以低成本高效制備適用于太陽能電池的純度約6N的硅的方法。因此，根據(jù)本發(fā) 明，含有硼的原料硅和礦渣被熔化，并且通過旋轉(zhuǎn)/驅(qū)動機構(gòu)使軸旋轉(zhuǎn)由此攪拌熔融硅。 熔渣被分散于熔融硅中，由此加速硼去除反應(yīng)。可進一步有效地利用含有至少45質(zhì)量％ 的Si02的礦渣，或?qū)⑴c水蒸汽混合的氣體作為精煉反應(yīng)用引入氣體吹入熔融硅中。
中國專利申請200480035884.9公開了一種從冶金級硅中去除雜質(zhì)以制得太陽能級硅 的方法，該方法包括以下步驟(1)、將含有金屬雜質(zhì)和非金屬雜質(zhì)的冶金級硅研磨成直徑約5000微米的硅顆粒粉，(2)、在硅粉保持固態(tài)的情況下，將其在真空下加熱到低于硅 熔點的溫度，(3)、將加熱后的硅粉在所述的溫度下保持足夠長的一段時間以去除至少一 種金屬或者非金屬雜質(zhì)。該方法可以在冶金級硅處于固態(tài)而不是熔融條件時對其進行處 理，去除的雜質(zhì)主要是磷。
一般而言，冶金級硅的提純包括去除磷(P)、硼(B)、氧(O)、碳(C)以及各種混合金屬。 但金屬硅提純過程中其溫度一般控制在160(TC左右，在提純過程中所遇到的問題是金屬 硅中的一些髙熔點物質(zhì)，例如鈦(Ti，熔點1725'C)、硼(B，熔點230(TC)、碳(C，熔 點3550"C)不能熔解，難以排出和棄除，以致不能達到提純的目的。而且，以上方法， 只能去除其中一種主要的雜質(zhì)，而不能同時去除金屬硅中的鈦、硼、碳。
所以長期以來一直在尋找一種新的提純工藝來實現(xiàn)金屬硅的重熔提純。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種結(jié)合等離子火焰槍底吹，熔解金屬硅中的高熔點物質(zhì)， 例如鈦、硼、碳等髙熔點物質(zhì)，并將這些物質(zhì)翻滾到硅液表面使其凝固富集形成渣殼棄除。 使用本發(fā)明的方法，可以同時降低金屬硅中鈦、硼、碳等高熔點雜質(zhì)。
本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案
1、 選擇等離子火焰槍，將火焰槍火焰出口安置在盛硅容器底部中央；
2、 硅熔解，倒入盛硅容器中；
3、 使氣體(氫和氬)按比例加壓至1KG以上，作為火焰槍火焰的動力，將火焰槍產(chǎn) 生的電火花推入硅液體并使硅液體翻滾；
4、 將熔液表面的廢渣去除；
5、 將經(jīng)精煉的硅熔液倒入另一盛硅容器，精煉結(jié)束。 所述的硅優(yōu)選為冶金級的硅，其純度為約為99%。 所選擇火焰槍規(guī)格功率以火焰不損傷盛硅容器壁為好； 所述的火焰槍的氣體壓力根據(jù)盛硅體積而定； 所述的氫氣和氬氣的體積比為氫氣大于80%，氬氣小于20%。 所述的等離子火花與硅液的反應(yīng)時間為2 6 h。
5本發(fā)明采用氬氣和氫氣作為等離子工作氣源。氬氣用于維持等離子氣氛；高溫的氫氣 等離子火焰，可使熔液中的雜質(zhì)還原為單質(zhì)并熔解。在底吹氣體的攪動作用下，這些雜質(zhì) 單質(zhì)隨熔液翻滾到熔液表面。由于這些雜質(zhì)單質(zhì)的熔點高于金屬硅單質(zhì)的熔點，而熔液表 面的溫度相對熔液內(nèi)部的溫度稍低，所以這些雜質(zhì)單質(zhì)在熔液表面凝固形成廢渣，經(jīng)富集 后被去除，達到提純的效果。
經(jīng)本方法所提煉的金屬硅熔液符合光電級硅的純度要求。
具體實施例方式
下面結(jié)合實施例對本發(fā)明做進一步的描述，但以下的實施例僅提供參考與說明用， 而非對本發(fā)明加以限制。
1、 選擇專業(yè)廠家生產(chǎn)的等離子火焰槍，擇火焰槍規(guī)格功率以火焰不損傷盛硅容器壁 為好，將火焰槍火焰出口安置在盛硅容器底部中央；
2、 選擇冶金級的硅，其純度大于99%，熔解，倒入盛硅容器中；
3、 按氫氣和氬氣體積比85%: 15%的比例混合氣體，使混合氣體加壓至1KG以上， 作為火焰槍火焰的動力，具體氣體壓力根據(jù)盛硅體積而定，將火焰槍產(chǎn)生的電火花 推入硅液體并使硅液體翻滾；
4、 在此過程中，廢渣在熔液表面不斷富集，經(jīng)反應(yīng)4個小時后，去除
5、 將經(jīng)精煉的硅熔液倒入另一盛硅容器，精煉結(jié)束。
權(quán)利要求
1、一種除去金屬硅中的難熔元素的方法，包括以下步驟將火焰槍火焰出口安置在盛硅容器底部中央，將金屬硅熔解，倒入盛硅容器中，使氣體(氫和氬)按比例加壓至1KG以上，作為火焰槍火焰的動力，之后將火焰槍產(chǎn)生的等離子火花推入硅液體并使硅液體翻滾，反應(yīng)一定時間后，棄除廢渣，將經(jīng)精煉的硅熔液倒入另一盛硅容器。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的除去金屬硅中的難熔元素的方法，其特征在于所述的金屬 硅優(yōu)選為冶金級硅。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的除去金屬硅中的難熔元素的方法，其特征在于所述的火焰 槍的工作氣源為氫氣和氬氣。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的除去金屬硅中的難熔元素的方法，其特征在于所述的火焰 槍的等離子火花從盛硅容器底部吹入熔液。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的除去金屬硅中的難熔元素的方法，其特征在于所述的等離 子火花與硅液的反應(yīng)時間為2 6 h。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種等離子火焰槍底吹熔化金屬硅中難熔元素的方法，包括以下步驟將火焰槍火焰出口安置在盛硅容器底部中央，將金屬硅熔解，倒入盛硅容器中，之后將火焰槍產(chǎn)生的等離子火花推入硅液體并使硅液體翻滾，最后棄除廢渣。這種方法可將金屬硅中的難熔物質(zhì)例如鈦、硼、碳等，在硅液表面富集形成渣殼棄除，達到提純的效果。
文檔編號C01B33/037GK101423218SQ200810070929
公開日2009年5月6日 申請日期2008年4月15日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月15日
發(fā)明者鄭智雄 申請人:南安市三晶硅品精制有限公司