一种电场耦合定向凝固技术回收金刚线切割硅粉制备高纯硅的方法技术

本发明专利技术公开了一种电场耦合定向凝固技术回收金刚线切割硅粉制备高纯硅的方法，将金刚线切割硅粉废料研磨，以HF：H2O：C2H5OH＝1:3:1配置溶液进行酸洗，离心干燥后压块；真空感应熔炼硅粉块体，保温结束后在凝固过程中引入电场，控制固液截面处的温度梯度，使固液界面处的一些凸出部分发生重熔，保持了固液界面的稳定性，抑制树枝晶的生长，回收过程中的出成率显著提高。电场的引入可以促进硅液发生对流，能够保证硅液内的杂质和温度均匀性，使凝固过程中的杂质分凝效果更明显，进一步提高硅锭的纯度，将回收硅的纯度提升到5N。该技术既能防止硅粉废料的环境污染，也可使硅资源重新利用，进而节约晶硅太阳能电池行业的工业成本。进而节约晶硅太阳能电池行业的工业成本。进而节约晶硅太阳能电池行业的工业成本。

【技术实现步骤摘要】
一种电场耦合定向凝固技术回收金刚线切割硅粉制备高纯硅的方法


[0001]本专利技术涉及一种电场耦合定向凝固技术回收金刚线切割硅粉制备高纯硅的方法，属于光伏固废资源回收利用和硅材料制备


技术介绍

[0002]太阳能作为清洁的可再生能源，具有广阔的发展前景，其中晶硅太阳能电池一直保持着90％以上的市场占有率，晶硅已成为新世纪的战略资源。然而作为目前主流硅锭加工方法的金刚线切割硅锭技术，其生产过程中约有30
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35％超细硅颗粒损失于硅粉废料，在这些废料中高纯硅占90％左右，具有重要的回收再利用价值。由于回收硅粉废料的技术还不够完善，导致大量的高纯硅粉浪费，造成经济损失并产生生态环境隐患。
[0003]由于金刚线切割硅粉里含有氧化硅及其他金属杂质，使得在回收高纯硅时存在纯度不足、出成率低等问题。目前，针对金刚线切割废料的回收再利用，主要有酸洗、感应熔炼、造渣精炼、高温非转移电弧辅助真空熔炼等技术，然而这些方法因不同缺陷而使硅废料的回收利用受到阻碍，致使回收的硅纯度较低，低于99.0％；亦或高纯硅的出成率不足，仅能达到40
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60％；例如，郭菁等在期刊文献《单晶及多晶硅切割废料中的高纯硅回收》(材料科学与工艺，2011)的研究中，采用酸洗、铸锭工艺方法得到的硅锭纯度为98.71％，硅的回收率为43.33％。因此，急需一种既能提高回收硅的纯度，又能提高出成率的回收方法。

技术实现思路

[0004]为了克服上述现有技术存在的缺陷，本专利技术针对在生产晶硅太阳能电池时产生的硅粉废料，通过电场耦合定向凝固技术进行回收制备高纯硅，不仅能够防止硅粉废料带来的环境污染，而且可以使硅资源得到重新利用，节约晶硅太阳能电池行业的工业成本，解决了现有技术中回收高纯硅时存在的纯度不足、出成率低等问题。
[0005]为实现上述专利技术目的，本专利技术提供了一种电场耦合定向凝固技术回收金刚线切割硅粉制备高纯硅的方法，包括如下步骤：
[0006]S1、取金刚线切割硅粉的固体废料，研磨成粒度为10
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20um的废料粉体；将氢氟酸、水、乙醇按HF：H2O：C2H5OH＝1:3:1的比例配置成酸洗溶液，将所述废料粉体在磁力搅拌器的作用下以所述酸洗溶液进行酸洗，所述废料粉体与酸洗溶液的质量比例为4
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5:1，酸洗反应温度为30
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50℃，酸洗时间为140
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160min；所述磁力搅拌器的搅拌速率为1100
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1400r/min。
[0007]在储存工艺条件下硅粉颗粒发生表面氧化形成非晶SiO2氧化层并逐渐长大，部分金属杂质颗粒向氧化层内部迁移富集并滞留在氧化层内部而导致在常规酸浸出中难以去除。利用氢氟酸对氧化层的腐蚀作用使得滞留金属杂质暴露，从而促进金属杂质的去除，氢氟酸与乙醇的复合使用可以强化酸洗除杂效果，消除有机溶剂粘附性对酸处理的影响；磁力搅拌使得附着在硅微粉表面的大量金属杂质与酸充分反应进而得以去除。
[0008]S2、将步骤S1酸洗处理后获得的废料粉体混合液以离心方式进行固液分离，连续
用去离子水冲洗并离心4
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6次至洗液PH值为中性，得到初步净化的硅粉。
[0009]S3、将步骤S2得到的初步净化的硅粉放在真空干燥箱中进行干燥，干燥箱设置温度为140℃，干燥时间为6
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8h；所述干燥后的硅粉水分达到0.9％以下。
[0010]S4、将步骤S3得到的干燥后的硅粉采用压块机进行施压成型，所述压块机施加的压力为10
‑
30Mpa。干燥后的硅粉不易加粉，而且熔炼过程中容易发生“扑粉”现象，通过对干燥后的硅粉进行压块处理，以解决“扑粉”现象。
[0011]S5、将步骤S4得到的压制成型的硅粉块体放入石墨坩埚后进行电磁感应加热熔炼，熔炼全程在氩气气氛保护下进行，所述氩气气氛的压力为50Pa；以20
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30℃/min的升温速率升至温度1520
‑
1600℃，温度稳定后保温0.8
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1.2h，获得硅粉熔液。
[0012]S6、将步骤S5保温结束后获得的硅粉熔液连同石墨坩埚置于电场耦合定向凝固设备中，在电场耦合热效应辅助下进行定向凝固；所述电场耦合定向凝固设备相对设置有两个导电钼丝，所述导电钼丝与外加电场连接以形成耦合效应，电场设置条件为15A直流电，坩埚的拉伸速率为20mm/h，在电场辅助条件下完成凝固除杂工艺后获得高纯硅。
[0013]通过电场耦合定向凝固设备内施加电场产生的热效应，调节硅锭凝固时固液界面的过冷度，一方面可以降低界面处的温度梯度，增加固液界面的稳定性，另一方面热效应可以使界面凸出部分重熔，抑制树枝晶的生长，扩大柱状晶区域，提高出成率。由于电场的引进，同时还能增强硅熔液的对流，提高熔液内的杂质分凝效果。
[0014]所述电场耦合定向凝固设备包括炉壳，所述炉壳的顶部设置有法兰盘，所述法兰盘和所述炉壳的底部中心相对设置有两个导电钼丝，所述导电钼丝与外加电场连接；所述炉壳的底部设置有坩埚推进支座，所述坩埚推进支座的上部固定安装有坩埚底座，所述坩埚底座上设有坩埚套管，所述坩埚套管的内部安装有石墨坩埚，在所述石墨坩埚和坩埚套管之间设有保温层，在所述石墨坩埚的内部安装有绝缘套管；在所述炉壳的上部和下部分别设置有排气孔和进气孔，所述进气口用以与惰性气体供气装置的供气口连通；所述石墨坩埚用以承装硅粉熔液；所述法兰盘上的导电钼丝的高度可以调节，根据所述石墨坩埚里面硅熔液的多少，调节至导电钼丝和硅熔液的上表面接触。
[0015]电场耦合定向凝固技术利用金属杂质分凝的特性，将硅中偏凝系数小的杂质富集到铸锭顶端，以提高硅的纯度。凝固过程中施加电场，对于固液共存状态而言，同材质液相电导率小于固相，因此电流优先通过固相，固相产生的热效应将大于其液相，导致固相中的一些凸起发生重熔，保证了固液界面的稳定性，促进晶体向球形晶粒生长，扩大铸锭中柱状晶区域，从而提高铸锭的出成率。
[0016]上述技术方案中，优选的，所述废料粉体与酸洗溶液的质量比例为5:1，酸洗反应温度为40℃，酸洗时间为150min。
[0017]上述技术方案中，优选的，所述干燥后的硅粉施压成型的压力为20Mpa；所述电场耦合定向凝固设备以25℃/min的升温速率升至温度1560℃，温度稳定后保温1h，获得硅粉熔液。
[0018]与现有技术相比，本专利技术的有益效果：
[0019]电场耦合定向凝固技术回收金刚线切割硅粉制备高纯硅方法通过凝固过程中引入电场，控制固液截面处的温度梯度，使固液界面处的一些凸出部分发生重熔，保持了固液界面的稳定性，抑制树枝晶的生长，促进晶粒向球形晶粒生长，回收工艺的出成率显著提
高。另外，电场的引入，可以促进硅液发生对流，能够保证硅液内的杂质和温度均匀性，使凝固过程中的杂质分凝效果更明显，进一步提高硅锭的纯度，将回收高纯硅的纯度提升到5N。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种电场耦合定向凝固技术回收金刚线切割硅粉制备高纯硅的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：S1、取金刚线切割硅粉的固体废料，研磨成粒度为10
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20um的废料粉体；将氢氟酸、水、乙醇按HF：H2O：C2H5OH＝1:3:1的比例配置成酸洗溶液，将所述废料粉体在磁力搅拌器的作用下以所述酸洗溶液进行酸洗，所述废料粉体与酸洗溶液的质量比例为4
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5:1，酸洗反应温度为30
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50℃，酸洗时间为140
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160min；S2、将步骤S1酸洗处理后获得的废料粉体混合液以离心方式进行固液分离，连续用去离子水冲洗并离心4
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6次至洗液PH值为中性，得到初步净化的硅粉；S3、将步骤S2得到的初步净化的硅粉放在真空干燥箱中进行干燥，干燥箱设置温度为140℃，干燥时间为6
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8h；S4、将步骤S3得到的干燥后的硅粉采用压块机进行施压成型，所述压块机施加的压力为10
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30Mpa；S5、将步骤S4得到的压制成型的硅粉块体放入石墨坩埚后进行电磁感应加热熔炼，熔炼全程在氩气气氛保护下进行，所述氩气气氛的压力为50Pa；以20
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30℃/min的升温速率升至温度1520
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1600℃，温度稳定后保温0.8
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【专利技术属性】
技术研发人员：李鹏廷，王国亮，胡志强，谭毅，姜大川，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：