一种通过硅铜定向凝固制备高纯硅的装置及其方法与流程

1.本发明涉及高纯硅制备的技术领域，尤其涉及一种通过硅铜定向凝固制备高纯硅的装置及其方法。


背景技术：

2.随着人类社会的发展，能源问题成为当下亟待解决的一大难点，太阳能作为新型可再生清洁能源，其绿色环保健康的特点受到人们的广泛关注。
3.太阳能电池的主要原材料是晶体硅材料，其中又以多晶硅占据主要太阳能电池的市场，目前，多晶硅太阳能电池所使用的高纯硅主要提纯方法有两种；
4.一种是化学法，该方法是利用化学反应的方式将工业硅气化为硅蒸汽，再通过化学反应逐步将杂质去除，最后将提纯后的硅蒸汽还原成高纯硅；
5.一种是冶金法，也即所谓的物理法，这种方法是利用杂质在硅中的物理性质的不同而将其去除，一般去除方法包括酸洗浸出、真空精炼、定向凝固等。
6.然而，在化学法的提纯过程中，由于生产过程复杂，中间产物要经过多次精馏，从而导致成本较高，且化学法提纯后的尾气处理也是一大难点；
7.因此亟需设计一种通过硅铜定向凝固制备高纯硅的装置及其方法，通过采用在冶金法提纯过程中，通过不同种工艺的组合，将工业硅内的杂质的去除的方法来解决上述问题。
8.公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。


技术实现要素：

9.本发明的目的是为了解决现有技术中存在的问题，而提出的一种通过硅铜定向凝固制备高纯硅的装置及其方法。
10.为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
11.一种通过硅铜定向凝固制备高纯硅的装置，包括由固定箱、坩埚组成的凝固加热器，所述固定箱内通过两个连接杆固定安装有放置环，且坩埚卡合放置在放置环内，所述放置环内通过多个复位弹簧绳固定安装有底托盘，所述放置环内通过滑动机构安装有升降杆，所述升降杆上通过固定环固定安装有加热环，且加热管与固定箱之间安装有标示机构。
12.在上述的一种通过硅铜定向凝固制备高纯硅的装置中，所述滑动机构包括开设在固定箱内的梯形滑槽，所述升降杆上固定安装有梯形滑块，且梯形滑块卡合安装在梯形滑槽内。
13.在上述的一种通过硅铜定向凝固制备高纯硅的装置中，所述标示机构包括固定安装在固定箱内的刻度标杆，所述底托盘上固定安装有与刻度标杆相配合的标示杆一，所述固定环上固定安装有与刻度标杆相配合的标示杆二。
14.在上述的一种通过硅铜定向凝固制备高纯硅的装置中，所述升降杆与固定箱之间
滑动安装有拉杆，所述固定箱上卡合安装有密封盖，所述固定箱的侧部固定安装有多个散热网。
15.在上述的一种通过硅铜定向凝固制备高纯硅的方法中，包括下列步骤：
16.s1、将待提纯的工业硅和金属铜放入定向凝固炉中，往炉中通入氩气并使炉内温度升至1500～1700℃后保温2～4h；
17.s2、将步骤s1得到的硅铜熔融合金保温后进行第一次定向凝固，得到第一次定向凝固硅铸锭，凝固方式为将硅铜熔融合金放入坩埚内，再将坩埚卡合至放置环上，并启动加热环对坩埚进行加热，在进行加热时拉动拉杆带动升降杆、固定环与加热环自下而上进行移动，即可对硅铜熔融合金进行定型凝固，加热环为凝固加热器内的加热源；
18.s3、将步骤s2得到的一次定向凝固铸锭在凝固加热器内进行第二次定向凝固，凝固方式为拉动拉杆带动升降杆、固定环与加热环移动，并根据标示杆一、标示杆二在刻度标杆上的刻度标示位置为基准，将加热环降至离坩埚底端三分之一的位置，并启动加热环且进行上移，即可开始第二次定向凝固；
19.s4、将步骤s3得到的二次定向凝固后的高纯硅锭平均切三段，对不同的部分进行不同处理，具体操作如下：
20.①
将底部的高纯硅锭回收并直接用于生产；
21.②
将中部的硅锭进行盐酸和氢氟酸混合酸酸洗后用于生产；
22.③
将顶部的硅锭与其他原料混合进行重新熔炼。
23.在上述的一种通过硅铜定向凝固制备高纯硅的方法中，在所述步骤s1中，所述工业硅和金属铜分别以硅块和铜块的形式使用，所述工业硅和铜块的加入量的质量比为(1～1.2):1；工业硅纯度为2～3n，铜块纯度为3～4n；氩气纯度为4n，通气流量为400ml/min。
24.在上述的一种通过硅铜定向凝固制备高纯硅的方法中，所述步骤s2中加热源温度为1400～1600℃，设置定向凝固竖直向上温度梯度为15～50℃/cm，所述加热源从下往上运动的速度为10～20mm/h。
25.在上述的一种通过硅铜定向凝固制备高纯硅的方法中，所述步骤s3中加热温度为1300～1500℃，设置定向凝固竖直向上温度梯度为15～50℃/cm，所述加热源从下往上运动的速度为10～20mm/h。
26.在上述的一种通过硅铜定向凝固制备高纯硅的方法中，所述步骤s4中
②
混合液中氢氟酸浓度为2～3mol/l，盐酸浓度为1～3mol/l，酸洗温度为50～80℃，时间为3～6h。
27.与现有的技术相比，本发明优点在于：提出了一套以工业化运用为主，同时可以有效提纯工业硅的方法，先将工业硅和金属铜放入定向凝固炉中熔炼一段时间，再进行两次不同的定向凝固，得到高纯硅铸锭，对于后续高纯硅铸锭的处理，主要是对不同部位进行不同的处理，以便最大化合理利用原材料，本发明对高纯硅铸锭的分类处理，节约成本和人力，适合工业化运用。
附图说明
28.下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，其中：
29.图1为本发明提出的一种通过硅铜定向凝固制备高纯硅的装置及其方法的结构示意图；
30.图2为图1中放置环与其上部分连接结构的俯视图；
31.图3为本发明中高纯硅的制备流程图。
32.图中：1固定箱、2连接杆、3放置环、4坩埚、5升降杆、6固定环、7加热环、8底托盘、9标示杆一、10标示杆二、11刻度标尺、12散热网、13复位弹簧绳。
具体实施方式
33.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
34.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
35.参照图1-2，一种通过硅铜定向凝固制备高纯硅的装置，包括由固定箱1、坩埚4组成的凝固加热器，固定箱1内通过两个连接杆2固定安装有放置环3，且坩埚3卡合放置在放置环3内，放置环3内通过多个复位弹簧绳13固定安装有底托盘8，放置环3内通过滑动机构安装有升降杆5，升降杆5上通过固定环6固定安装有加热环7，且加热管7与固定箱1之间安装有标示机构；
36.滑动机构包括开设在固定箱1内的梯形滑槽，升降杆5上固定安装有梯形滑块，且梯形滑块卡合安装在梯形滑槽内，滑动机构用于使升降杆5只可在固定箱1内上下移动，而不会与升降杆5之间发生偏移与分离。
37.标示机构包括固定安装在固定箱1内的刻度标杆11，底托盘8上固定安装有与刻度标杆11相配合的标示杆一9，固定环6上固定安装有与刻度标杆11相配合的标示杆二10，可通过标示杆一9与标示杆二10在刻度标杆11上的刻度相对位置，来判断加热环7与坩埚4之间的相对位置。
38.升降杆5与固定箱1之间滑动安装有拉杆，固定箱1上卡合安装有密封盖，固定箱1的侧部固定安装有多个散热网12。
39.一次定向凝固的凝固方式为将硅铜熔融合金放入坩埚4内，再将坩埚4卡合至放置环3上，并启动加热环7对坩埚4进行加热，在进行加热时拉动拉杆带动升降杆5、固定环6与加热环7自下而上进行移动，即可对硅铜熔融合金进行定型凝固，加热环7为凝固加热器内的加热源；
40.二次定向凝固的凝固方式为拉动拉杆带动升降杆5、固定环6与加热环7移动，并根据标示杆一9、标示杆二10在刻度标杆11上的刻度标示位置为基准，将加热环7降至离坩埚4底端三分之一的位置，并启动加热环7且进行上移，即可开始第二次定向凝固
41.实施例1
42.参照图1-3，一种通过硅铜定向凝固制备高纯硅的方法，包括下列步骤：
43.s1、将15kg待提纯的工业硅(纯度为99.8％)和15kg金属铜块(纯度为99.99％)放入定向凝固炉中，以400ml/min往炉中通入4n的氩气并使炉内温度升至1500℃后保温2h；
44.s2、将步骤s2得到的硅铜熔融合金保温后，设置定向凝固竖直方向上温度梯度为15℃/cm，启动定向凝固升降装置使得加热源以10mm/h的速度自下往上移动进行第一次定向凝固，得到第一次定向凝固硅铸锭；
45.s3、将步骤s2得到的一次定向凝固铸锭进行第二次定向凝固，将加热源降至离坩埚底端三分之一的位置开始第二次定向凝固。设置定向凝固竖直方向上温度梯度为15℃/cm，启动定向凝固升降装置使得加热源以10mm/h的速度自下往上移动进行第二次定向凝固，得到第二次定向凝固铸锭；
46.s4、将步骤s3得到的二次定向凝固后的高纯硅锭平均切三段，对不同的部分进行不同处理，具体操作如下：
47.①
将底部的高纯硅锭回收并直接用于生产；
48.②
将中部的硅锭用2mol/l盐酸和2mol/l氢氟酸组成的混合酸酸洗，在50℃下酸洗3h，之后进行过滤、去离子水清洗后用于生产；
49.③
将顶部的硅锭与其他原料混合进行重新熔炼。
50.经过辉光放电质谱仪(gdms)测定，该底部的硅纯度为99.99924％。中部的硅纯度为99.99917％。
51.实施例2
52.参照图1-3，一种通过硅铜定向凝固制备高纯硅的方法，包括下列步骤：
53.s1、将15kg待提纯的工业硅(纯度为99.8％)和15kg金属铜块(纯度为99.99％)放入定向凝固炉中，以400ml/min往炉中通入4n的氩气并使炉内温度升至1600℃后保温3h；
54.s2、将步骤s1得到的硅铜熔融合金保温后，设置定向凝固竖直方向上温度梯度为20℃/cm，启动定向凝固升降装置使得加热源以15mm/h的速度自下往上移动进行第一次定向凝固，得到第一次定向凝固硅铸锭；
55.s3、将步骤s2得到的一次定向凝固铸锭进行第二次定向凝固，将加热源降至离坩埚底端三分之一的位置开始第二次定向凝固。设置定向凝固竖直方向上温度梯度为20℃/cm，启动定向凝固升降装置使得加热源以15mm/h的速度自下往上移动进行第二次定向凝固，得到第二次定向凝固铸锭；
56.s4、将步骤s3得到的二次定向凝固后的高纯硅锭平均切三段，对不同的部分进行不同处理，具体操作如下：
57.①
将底部的高纯硅锭回收并直接用于生产；
58.②
将中部的硅锭用3mol/l盐酸和1mol/l氢氟酸组成的混合酸酸洗，在50℃下酸洗6h，之后进行过滤、去离子水清洗后用于生产；
59.③
将顶部的硅锭与其他原料混合进行重新熔炼。
60.经过辉光放电质谱仪(gdms)测定，该底部的硅纯度为99.99967％。中部的硅纯度为99.99956％。
61.实施例3
62.参照图1-3，一种通过硅铜定向凝固制备高纯硅的方法，包括下列步骤：
63.s1、将15kg待提纯的工业硅(纯度为99.8％)和15kg金属铜块(纯度为99.99％)放入定向凝固炉中，以400ml/min往炉中通入4n的氩气并使炉内温度升至1700℃后保温4h；
64.s2、将步骤s1得到的硅铜熔融合金保温后，设置定向凝固竖直方向上温度梯度为
50℃/cm，启动定向凝固升降装置使得加热源以20mm/h的速度自下往上移动进行第一次定向凝固，得到第一次定向凝固硅铸锭；
65.s3、将步骤s2得到的一次定向凝固铸锭进行第二次定向凝固，将加热源降至离坩埚底端三分之一的位置开始第二次定向凝固。设置定向凝固竖直方向上温度梯度为50℃/cm，启动定向凝固升降装置使得加热源以20mm/h的速度自下往上移动进行第二次定向凝固，得到第二次定向凝固铸锭；
66.s4、将步骤s3得到的二次定向凝固后的高纯硅锭平均切三段，对不同的部分进行不同处理，具体操作如下：
67.①
将底部的高纯硅锭回收并直接用于生产；
68.②
将中部的硅锭用3mol/l盐酸和3mol/l氢氟酸组成的混合酸酸洗，在80℃下酸洗6h，之后进行过滤、去离子水清洗后用于生产；
69.③
将顶部的硅锭与其他原料混合进行重新熔炼。
70.经过辉光放电质谱仪(gdms)测定，该底部的硅纯度为99.99988％。中部的硅纯度为99.99967％。
71.进一步说明，上述固定连接，除非另有明确的规定和限定，否则应做广义理解，例如，可以是焊接，也可以是胶合，或者一体成型设置等本领域技术人员熟知的惯用手段。
72.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
73.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。