一种硅的物理提纯方法 【技术领域】
本发明涉及一种提纯硅的方法，特别是涉及一种硅的物理提纯方法。
技术背景
现在随着太阳能电池的应用越来越广泛，用于制作太阳能电池的材料硅的需求量越来越大。但由于工业硅产品里含有较多的杂质，目前还不能直接用于制作太阳能电池。现在硅的提纯主要采用的是西门子法，该方法是先将硅转化成三氯氢硅，经过精馏后再在高温下用氢气进行还原，该工艺污染大、能耗多、成本高。虽然现在也有一些其它技术提纯方法，如中国专利局于2007.07.11公开的专利申请号200610166374.6发明名称《一种硅的提纯方法》发明技术，该项发明解决目前硅提纯过程中消耗电力巨大，而且生产成本居高不下的问题，但最终仍然要采用化学方法，转化成硅烷进行提纯，化学方法污染环境、能耗高、工艺复杂、安全性差。因此，现在急需一种工艺简单、能耗低、对环境污染小的硅的提纯方法。
【发明内容】
本发明的目的在于克服上述缺点，提供一种能耗低、工艺简单、无污染、成本低的硅的物理提纯方法。
为此，本发明提供了一种硅的物理提纯方法，包括工业硅，所述方法是利用硅与其中杂质的熔点和沸点的不同以及在不同压力、不同温度下蒸气压的不同，通过对硅进行蒸馏，将硅与其中的杂质进行分离，从而降低产品中杂质的含量，提高工业硅的纯度，使工业硅的纯度达到太阳能电池或电子工业硅纯度要求的方法。将工业硅放置在真空蒸馏装置的加热器里，通过在不同温度下进行加热的方式使工业硅中的硅或杂质分别处于气体蒸发状态，然后将蒸汽冷凝，从而将杂质与硅进行分离。为了更加有效地将硅与其中的杂质进行分离，通常采用的蒸馏方式是精馏，因为精馏的分离效果更好，可以将沸点差别相差不大的杂质也非常完全地与硅进行分离。
在本发明提供的另一种硅的物理提纯方法中，所述蒸馏是在真空状态下进行的。因为硅在高温特别是气态状态下容易与氧气进行反应，为了防止硅的氧化通常蒸馏或精馏都是在真空状态下进行的。同样，蒸馏也可以在惰性气体里进行的。所述惰性气体是氩气，当然在有些情况下也可以是氮气。采用何种条件主要取决于分离何种杂质。如分离磷等低沸点杂质时，硅处于残留物中不会变成蒸汽，在这种情况下采用氮气保护就可以了；但如果杂质是硼就必须是在真空状态下进行，一方面是为了降低硅蒸发的温度，另一方面也是为了防止硅的氧化。
在本发明提供的另一种硅的物理提纯方法中，所述蒸馏是分步进行的，在低于硅的沸点或高于硅的沸点或等于硅的沸点等不同温度下进行，以除去不同的杂质。当所述蒸馏是在温度低于硅的沸点下进行时，低沸点的杂质在馏出物中，硅及高沸点的杂质留在残留物中。这样得到的残留物中已基本除去低沸点的杂质，将所述残留物再次蒸馏，所述蒸馏是在温度高于硅的沸点下进行时，硅蒸发后冷凝成产品，沸点高于硅的杂质留在残留物中。同样，也可以先进行高温蒸馏，将硅及低沸点杂质先进行蒸馏与高沸点杂质进行分离，然后再将硅与低沸点杂质分离，具体采用何种顺序要根据不同工业硅中的杂质种类或含量而定。当然也可以在同一个精馏塔中进行除去高沸点杂质和低沸点杂质，取中间的馏分物质。但是这样的操作从工艺上难以保证产品的质量。具体操作时，所述温度是根据不同的杂质而定的，如在除去沸点低于硅的杂质时，如在除去杂质磷、砷时，在这种情况下磷、砷会从熔化的工业硅原料中蒸发而硅则留在加热器里。这种情况下可以采用常压，最好是在惰性保护气体下蒸馏。当然，也可以在真空状态下蒸发，但必须保证在此种真空压力条件下硅少量蒸发，以便于分离杂质。在除去低温杂质后，所述温度高于硅地沸点而低于杂质的沸点。这样，工业硅原料被加热成蒸汽，在冷凝器中冷凝成纯硅，而高温杂质(如硼)由于沸点高还残留在加热器里。
本发明提供的另一种硅的物理提纯方法中，由于硅产品的纯度要求非常高，所以所述蒸馏或精馏是多次的，每蒸馏或精馏一次降低一次工业硅中的杂质，提高一次硅的纯度，通过多次蒸馏或精馏不断地提高硅的纯度，一直到能满足太阳能电池或其它半导体产品的质量要求为止。为了减少蒸馏的次数，尽量在蒸馏前将工业硅的杂质进行化学处理。工业硅在蒸馏前进行化学除杂处理，如进行酸洗，如加入硫使其中的杂质如铁变成硫化铁从工业硅表面熔化除去等等。通过化学除杂可以减少蒸馏的次数，降低成本。
本发明提供的另一种硅的物理提纯方法中，采用蒸馏提纯可以降低其中的杂质含量，但对于有些与硅沸点或蒸气压比较接近的杂质，如果采用蒸馏就需要进行多次，如铁。但如果采用定向凝固方法就非常容易处理，如铁由于分凝系数非常小，所以采用定向凝固方法就非常容易从硅中分离，所以在有些情况下首先将工业硅经过定向凝固法提纯处理。根据具体的情况，有时将所述硅冷凝产品再采取定向凝固法除去其中的残留杂质。如将定向凝固法、区域熔炼技术与本发明进行联合，利用定向凝固、区域熔炼技术除去其中的分凝系数小的金属杂质，利用本发明除去磷、硼杂质，充分发挥各自优势，降低成本提高产品质量。
本发明提供的硅的物理提纯方法与现有方法相比具有以下优点：
1.无污染：由于蒸馏是物理分离方法，没有进行化学反应，在整个分离提纯过程中无废水、废气、废渣产生，对环境无污染；
2.能耗低：由于是在真空中直接进行蒸发，能耗少，耗能量只有现有西门子方法的十分之一；
3.成本低：减少了化学药品的使用，降低了生产成本。
下面通过附图描述本发明的实施例，可以更清楚地理解本发明的构思、方法。
【附图说明】
附图1是本发明提供的硅的物理提纯方法中除去低沸点杂质的实施例示意图；
附图2是本发明提供的硅的物理提纯方法中除去高沸点杂质的实施例示意图。
【具体实施方式】
参照附图1，附图1是本发明提供的硅的物理提纯方法中除去低沸点杂质的实施例示意图：在真空罐1里的下面安装了加热器2，在加热器2的上面是硅坩埚4，硅原料3放置在坩埚4里，冷凝器6上面放置馏出物容器5。真空泵通过真空抽出口7与真空罐1相连。当为了去除工业硅里的低沸点杂质时，将硅原料3放置在坩埚4里，加热器2加热后，将温度控制在低于此压力下的硅的沸点，此时硅原料3里面的低温杂质(如杂质磷)蒸发变成蒸汽，进入到馏出物容器5里，由于冷凝器6降低了温度，蒸汽在馏出物容器5里面冷凝成液体或固体。从而将低温杂质从硅原料里面分离出来。
参照附图2，附图2是本发明提供的硅的物理提纯方法中除去高沸点杂质的实施例示意图：加热器22安装在真空罐21里的底部，在加热器22上是坩埚23，在坩埚23里面是除去低温杂质的硅原料24。当真空泵通过真空抽气口30将真空罐抽成真空时，加热器22给坩埚23加热，坩埚23里的硅原料24蒸发成硅蒸汽，硅蒸汽在塔柱25里面经过分离提纯后进入到冷凝器29里，硅蒸汽通过与冷凝器29进行热交换后变成液体硅，液体硅通过出料口26流入到硅产品容器28里。为了防止高温杂质(如硼)也变成蒸汽混入到硅产品里，通过塔头温度计27来控制加热器22的加热和出料口26。
上面所述实施例是对本发明进行说明，并非对本发明进行限定。本发明要求保护的构思、方法和范围，都记载在本发明的权利要求书中。