一种将硅与杂质进行分离的方法 技术领域 本发明涉及光伏或半导体领域中的一种将硅和杂质进行分离的方法， 分离后得到 的硅料可以作为光伏电池的原材料进行再利用。
背景技术 在半导体及光伏加工中会产生大量含有碳化硅或氮化硅杂质的硅料， 将硅料与碳 化硅或氮化硅杂质分离开来， 使其可作为光伏电池的原材料。 由于现有处理技术的原因， 导 致大量含有碳化硅或氮化硅杂质的硅料难以应用， 造成了极大的浪费。
现有技术已有较多采用泡沫浮选、 重力浮选、 离心分离等方法来分离硅料与碳化 硅的报道， 分离后得到的硅料由于除杂不够彻底一般难以直接作为光伏电池的原材料再次 利用， 且较多报道的方法污染隐患较严重， 环保后续处理工作量巨大， 且硅粉回收率较低。
也有现有技术去除硅中的碳化硅和氮化硅杂质的报道， 例如 ： 第 310 卷第 15 期 2008 年 7 月的晶体生长学报报道的 “A novel approach for recycling of kerf loss silicon fromcutting slurry waste for solar cell applications 一种回收线切割废 浆料中的硅锯屑作为制作太阳能电池的应用” 文章中就涉及采用高温熔融过滤法来去除硅 中的碳化硅和氮化硅， 虽然在一定程度上能够去除硅中的碳化硅和氮化硅杂质， 但颗粒小 于 10μm 的碳化硅仍然难以去除， 且该方法由于操作条件较苛刻， 分离成本高， 不易于进行 批量处理。
造渣是炼钢领域中常规的一种处理过程， 具体如下 ： 由造渣剂与杂质反应后形成 的反应物和残留的各种杂质分布在上层进入渣层， 熔化的钢液分布在下层， 对位于钢液上 层的渣层进行扒渣， 完成钢液与杂质的分离。
但在太阳能光伏领域对硅与杂质的分离很少采用类似炼钢领域中的造渣工序。
发明内容 本发明所要解决的技术问题是提供一种将硅和杂质进行分离的方法， 采用造渣、 扒渣的方法来分离硅中的碳化硅或氮化硅杂质， 分离后得到的硅料可以作为光伏电池的原 材料进行再利用。
本发明的技术方案为 ：
一种将硅与杂质进行分离的方法， 其中 ： 其操作步骤为 ：
(1) 将混有杂质的硅料加热至硅液状态 ；
(2) 向混有杂质的硅液中加入造渣剂， 造渣剂与杂质反应 ；
(3) 硅液扒渣， 完成硅与杂质的分离。
一种将硅与杂质进行分离的方法， 其中 ： 其操作步骤为 ：
(1) 将混有杂质的硅料加热至硅液状态 ；
(2) 向混有杂质的硅液中加入造渣剂， 造渣剂与杂质反应 ；
(3) 造渣剂与杂质反应后形成的反应物和残留的各种杂质分布在上层形成渣层，
硅液分布在下层， 对位于硅液上层的渣层进行扒渣， 使得渣层与硅液分开， 完成硅与杂质的 分离。
通常渣层的熔化温度高于硅的熔化温度， 当渣层和硅液共同形成的整个体系的温 度维系在 1410-2000℃， 渣层通常主要以固体形式存在， 硅液以液体形式存在， 这样的状态 便于用扒渣工具对渣层进行扒渣， 使得渣层与硅液容易分开， 同时完成硅与杂质的分离的。
一种将硅与杂质进行分离的方法， 其中 ： 其操作步骤为 ：
(1) 将混有杂质的硅料置于加热设备中 ；
(2) 将混有杂质的硅料加热至硅液状态 ；
(3) 向混有杂质的硅液中加入造渣剂， 造渣剂与杂质反应 ；
(4) 硅液扒渣， 完成硅与杂质的分离。
一种将硅与杂质进行分离的方法， 其中 ： 扒渣后增加定向凝固、 去硅锭头部步骤。
增加定向凝固、 去硅锭头部步骤是为了去除硅料中的金属杂质， 因为由于造渣剂 中引入了金属元素的原因， 有可能会导致分离后得到的硅料中的金属杂质含量偏高， 由于 金属杂质与硅的分凝系数不同， 在经过定向凝固后， 硅料凝固成硅锭， 金属杂质会向硅锭头 部聚集， 经过去除硅锭头部后， 可以得到降低了金属杂质含量的硅料。 一种将硅与杂质进行分离的方法， 其中 ： 所述的杂质是碳化硅。
一种将硅与杂质进行分离的方法， 其中 ： 所述的杂质是氮化硅。
一种将硅与杂质进行分离的方法， 其中 ： 加热的温度范围在 1410-2000℃。
本发明的加热方式是不受限制的， 可以是电阻加热、 微波加热、 红外加热、 感应加 热或其他具有加热功能性质方式中的任意一种。
一种将硅与杂质进行分离的方法， 其中 ： 所述的造渣剂是碱性造渣剂。
一种将硅与杂质进行分离的方法， 其中 ： 所述的造渣剂与杂质反应的时间为 2-300 分钟。
一种将硅与杂质进行分离的方法， 其中 ： 所述的混有杂质的硅料来源于太阳能领 域或半导体领域的硅片加工中产生的废弃物。
一种将硅与杂质进行分离的方法， 其中 ： 所述的碱性造渣剂可以是 SiO2 与碱金属 氧化物的混合物。
一种将硅与杂质进行分离的方法， 其中 ： 所述的碱金属氧化物可以是 CaO、 MgO、 BaO、 Na2O、 K2O 的任意一种或几种的混合物。碱金属氧化物与碳化硅或氮化硅杂质反应生成 硅酸盐， 生成的硅酸盐都聚集在硅液上层的渣中 ； 同时没有反应完全的碳化硅或氮化硅也 与熔渣具有良好的润湿性， 都被包覆在熔渣中。
一种将硅与杂质进行分离的方法， 其中 ： 还可以加入助熔剂， 所述的助熔剂为 Al2O3、 CaF2、 CaCl2、 NaCl 中的任意一种或几种的混合。助熔剂可以在加热时起助熔作用。
造渣剂按重量百分比为 ： 10％ -40％ SiO2 ∶ 40％ -80％碱金属氧化物， 0％ -30％ 助熔剂。
本发明与现有技术的实施效果比较
4CN 101837348 A说本发明明书现有技术 高温熔融过滤 碳化硅、 氮化硅在硅 液流动过程中互相 吸附在一起3/7 页技术方案高温熔融造渣、 扒渣 碳化硅、 氮化硅在熔融 状态下与碱金属氧化物原理 反应生成硅酸盐， 硅酸 盐属渣相分离效果好分离氮化硅效果较 好， 分离碳化硅效果 较差 较长 高 不适合分离所需时间 分离成本 是否适于批量 处理短 低 非常适合能耗平均每分离得到 1 公斤 硅料消耗 0.48-0.72 个 单位能耗 观察不到碳化硅颗粒的 存在平均每分离得到 1 公 斤硅料消耗 1 个单位 能耗 能明显观察到碳化 硅颗粒的存在碳化硅在硅中 的残留量
造渣剂选用重量百分比例为 30％ SiO2 ∶ 50％ CaO ∶ 20％ Al2O3 为本发明的优选 方案， 采用该配比的造渣剂进行分离可以得到除碳化硅或氮化硅较完全的硅料， 完全观察 不到碳化硅或氮化硅的存在， 分离效果佳。
本发明的工作原理 ： 碳化硅与氮化硅十分稳定， 常温下很难与各种酸、 碱及混合酸 反应， 所以在常温下很难实现硅与碳化硅或氮化硅的分离， 但碳化硅与氮化硅在硅熔融状 态下能够与碱迅速反应生成硅酸盐， 本发明利用这一原理， 将混有碳化硅或氮化硅杂质的 硅料加热至硅液状态， 加入碱性造渣剂与碳化硅与氮化硅进行反应， 生成的硅酸盐都聚集 在硅液上层的渣中 ； 同时没有反应完全的碳化硅或氮化硅也与熔渣具有良好的润湿性， 都 被包覆在熔渣中， 扒出熔渣， 实现硅与碳化硅或氮化硅的完全分离。
本发明的优点 ： 本发明能够实现硅与碳化硅或氮化硅杂质的分离， 分离得到的硅 料可以作为光伏电池的原材料进行再利用， 同时本发明适用于批量处理， 降低了分离硅中 的杂质所需的处理周期。具体实施方式
实施例 1、 一种将硅与杂质进行分离的方法， 其中 ： 其操作步骤为 ：
(1) 将混有杂质的硅料加热至硅液状态 ；
(2) 向混有杂质的硅液中加入造渣剂， 造渣剂与杂质反应 ；
(3) 硅液扒渣， 完成硅与杂质的分离。
实施例 2、 一种将硅与杂质进行分离的方法， 其中 ： 其操作步骤为 ：
(1) 将混有杂质的硅料加热至硅液状态 ；
(2) 向混有杂质的硅液中加入造渣剂， 造渣剂与杂质反应 ；
(3) 造渣剂与杂质反应后形成的反应物和残留的各种杂质分布在上层形成渣层， 硅液分布在下层， 对位于硅液上层的渣层进行扒渣， 使得渣层与硅液分开， 完成硅与杂质的 分离。
实施例 3、 一种将硅与杂质进行分离的方法， 其中 ： 扒渣后增加定向凝固、 去硅锭 头部步骤。其余同实施例 1 或实施例 2。
实施例 4、 一种将硅与杂质进行分离的方法， 其中 ： 所述的杂质是碳化硅。其余同 实施例 1、 实施例 2 或实施例 3。 实施例 5、 一种将硅与杂质进行分离的方法， 其中 ： 所述的杂质是氮化硅。其余同 实施例 1、 实施例 2 或实施例 3。
实施例 6、 一种将硅与杂质进行分离的方法， 其中 ： 加热的温度为 1410℃。其余同 实施例 1- 实施例 5 中的任意一个实施例。
实施例 7、 一种将硅与杂质进行分离的方法， 其中 ： 加热的温度为 1450℃。其余同 实施例 1- 实施例 5 中的任意一个实施例。
实施例 8、 一种将硅与杂质进行分离的方法， 其中 ： 加热的温度为 1500℃。其余同 实施例 1- 实施例 5 中的任意一个实施例。
实施例 9、 一种将硅与杂质进行分离的方法， 其中 ： 加热的温度为 1600℃。其余同 实施例 1- 实施例 5 中的任意一个实施例。
实施例 10、 一种将硅与杂质进行分离的方法， 其中 ： 加热的温度为 1700℃。 其余同 实施例 1- 实施例 5 中的任意一个实施例。
实施例 11、 一种将硅与杂质进行分离的方法， 其中 ： 加热的温度为 1800℃。 其余同 实施例 1- 实施例 5 中的任意一个实施例。
实施例 12、 一种将硅与杂质进行分离的方法， 其中 ： 加热的温度为 1900℃。 其余同 实施例 1- 实施例 5 中的任意一个实施例。
实施例 13、 一种将硅与杂质进行分离的方法， 其中 ： 加热的温度为 2000℃。 其余同 实施例 1- 实施例 5 中的任意一个实施例。
实施例 14、 一种将硅与杂质进行分离的方法， 其中 ： 所述的造渣剂是碱性造渣剂。 其余同实施例 1、 实施例 2 或实施例 3。
实施例 15、 一种将硅与杂质进行分离的方法， 其中 ： 所述的造渣剂与杂质的反应 时间为 2 分钟。其余同实施例 1- 实施例 14 中的任意一种实施例。
实施例 16、 一种将硅与杂质进行分离的方法， 其中 ： 所述的造渣剂与杂质的反应
时间为 5 分钟。其余同实施例 1- 实施例 14 中的任意一种实施例。
实施例 17、 一种将硅与杂质进行分离的方法， 其中 ： 所述的造渣剂与杂质的反应 时间为 8 分钟。其余同实施例 1- 实施例 14 中的任意一种实施例。
实施例 18、 一种将硅与杂质进行分离的方法， 其中 ： 所述的造渣剂与杂质的反应 时间为 10 分钟。其余同实施例 1- 实施例 14 中的任意一种实施例。
实施例 19、 一种将硅与杂质进行分离的方法， 其中 ： 所述的造渣剂与杂质的反应 时间为 20 分钟。其余同实施例 1- 实施例 14 中的任意一种实施例。
实施例 20、 一种将硅与杂质进行分离的方法， 其中 ： 所述的造渣剂与杂质的反应 时间为 40 分钟。其余同实施例 1- 实施例 14 中的任意一种实施例。
实施例 21、 一种将硅与杂质进行分离的方法， 其中 ： 所述的造渣剂与杂质的反应 时间为 60 分钟。其余同实施例 1- 实施例 14 中的任意一种实施例。
实施例 22、 一种将硅与杂质进行分离的方法， 其中 ： 所述的造渣剂与杂质的反应 时间为 80 分钟。其余同实施例 1- 实施例 14 中的任意一种实施例。
实施例 23、 一种将硅与杂质进行分离的方法， 其中 ： 所述的造渣剂与杂质的反应 时间为 100 分钟。其余同实施例 1- 实施例 14 中的任意一种实施例。 实施例 24、 一种将硅与杂质进行分离的方法， 其中 ： 所述的造渣剂与杂质的反应 时间为 150 分钟。其余同实施例 1- 实施例 14 中的任意一种实施例。
实施例 25、 一种将硅与杂质进行分离的方法， 其中 ： 所述的造渣剂与杂质的反应 时间为 200 分钟。其余同实施例 1- 实施例 14 中的任意一种实施例。
实施例 26、 一种将硅与杂质进行分离的方法， 其中 ： 所述的造渣剂与杂质的反应 时间为 250 分钟。其余同实施例 1- 实施例 14 中的任意一种实施例。
实施例 27、 一种将硅与杂质进行分离的方法， 其中 ： 所述的造渣剂与杂质的反应 时间为 300 分钟。其余同实施例 1- 实施例 14 中的任意一种实施例。
实施例 28、 一种将硅与杂质进行分离的方法， 其中 ： 所述的混有杂质的硅料来源 于太阳能领域或半导体领域的硅片加工中产生的废弃物。 其余同实施例 1、 实施例 2 或实施 例 3。
实施例 29、 一种将硅与杂质进行分离的方法， 其中 ： 所述的造渣剂是 SiO2 与碱金 属氧化物的混合物。其余同实施例 1- 实施例 28 中的任意一种实施例。
实施例 30、 一种将硅与杂质进行分离的方法， 其中 ： 所述的碱金属氧化物是 CaO。 其余同实施例 1- 实施例 28 中的任意一种实施例。
实施例 31、 一种将硅与杂质进行分离的方法， 其中 ： 所述的碱金属氧化物是 MgO。 其余同实施例 1- 实施例 28 中的任意一种实施例。
实施例 32、 一种将硅与杂质进行分离的方法， 其中 ： 所述的碱金属氧化物是 BaO。 其余同实施例 1- 实施例 28 中的任意一种实施例。
实施例 33、 一种将硅与杂质进行分离的方法， 其中 ： 所述的碱金属氧化物是 Na2O。 其余同实施例 1- 实施例 28 中的任意一种实施例。
实 施 例 34、 一 种 将 硅 与 杂 质 进 行 分 离 的 方 法， 其中 ： 造渣剂按重量百分比为 10％ -40％ SiO2 ∶ 40％ -80％碱金属氧化物。其余同实施例 1- 实施例 33 中的任意一种实 施例。
实施例 35、 一种将硅与杂质进行分离的方法， 其中 ： 还可以在造渣剂中加入重量 百分比为 0％ -30％ Al2O3。其余同实施例 34。
实施例 36、 一种将硅与杂质进行分离的方法， 其中 ： 还可以在造渣剂中加入重量 百分比为 0％ -30％ CaF2。其余同实施例 34。
实施例 37、 一种将硅与杂质进行分离的方法， 其中 ： 还可以在造渣剂中加入重量 百分比为 0％ -30％ CaCl2。其余同实施例 34。
实施例 38、 一种将硅与杂质进行分离的方法， 其中 ： 还可以在造渣剂中加入重量 百分比为 0％ -30％ NaCl。其余同实施例 34。
实施例 39、 一种将硅与杂质进行分离的方法， 其中 ： 还可以在造渣剂中加入重量 百分比为 20％ Al2O3+NaCl。其余同实施例 34。
实施例 40、 一种将硅与杂质进行分离的方法， 其中 ： 其操作步骤为 ：
(1) 将混有碳化硅杂质的硅料置于加热设备中 ；
(2) 将混有碳化硅杂质的硅料加热至 1450℃ ；
(3) 向混有碳化硅杂质的硅液中加入造渣剂， 造渣剂的成分为 20％ SiO2 ∶ 70％ CaO， 20％ CaF2， 造渣剂与碳化硅杂质反应 ； (4) 硅液扒渣， 完成硅与碳化硅杂质的分离。
实施例 41、 一种将硅与杂质进行分离的方法， 其中 ： 其操作步骤为 ：
(1) 将混有碳化硅杂质的硅料置于加热设备中 ；
(2) 将混有碳化硅杂质的硅料加热至 1500℃ ；
(3) 向混有碳化硅杂质的硅液中加入造渣剂， 造渣剂的成分为 25％ SiO2 ∶ 50％ CaO ∶ 25％ Al2O3， 造渣剂与碳化硅杂质反应 ；
(4) 造渣剂与碳化硅杂质反应后形成的反应物和残留的碳化硅杂质分布在上层形 成渣层， 硅液分布在下层， 对位于硅液上层的渣层进行扒渣， 使得渣层与硅液分开， 完成硅 与碳化硅杂质的分离。
实施例 42、 一种将硅与杂质进行分离的方法， 其中 ： 其操作步骤为 ：
(1) 将混有氮化硅杂质的硅料置于加热设备中 ；
(2) 将混有氮化硅杂质的硅料加热至 1700℃ ；
(3) 向混有氮化硅杂质的硅液中加入造渣剂， 造渣剂的成分为 30％ SiO2 ∶ 50％ CaO ∶ 20％ Al2O3， 造渣剂与氮化硅杂质反应 ；
(4) 硅液扒渣， 完成硅与氮化硅杂质的分离。
实施例 43、 一种将硅与杂质进行分离的方法， 其中 ： 其操作步骤为 ：
(1) 将混有氮化硅杂质的硅料置于加热设备中 ；
(2) 将混有氮化硅杂质的硅料加热至 1800℃ ；
(3) 向混有氮化硅杂质的硅液中加入造渣剂， 造渣剂的成分为 30％ SiO2 ∶ 70％ MgO， 造渣剂与氮化硅杂质反应 ；
(4) 造渣剂与氮化硅杂质反应后形成的反应物和残留的氮化硅杂质分布在上层形 成渣层， 硅液分布在下层， 对位于硅液上层的渣层进行扒渣， 使得渣层与硅液分开， 完成硅 与氮化硅杂质的分离。
实施例 44、 一种将硅与杂质进行分离的方法， 其中 ： 其操作步骤为 ：
(1) 将混有碳化硅、 氮化硅杂质的硅料置于加热设备中 ；
(2) 将混有碳化硅、 氮化硅杂质的硅料加热至 1900℃ ；
(3) 向混有 碳 化硅、 氮化硅杂 质的 硅液 中加 入造 渣剂， 造渣 剂的 成分 为 25 ％ SiO2 ∶ 65％ BaO， 10％ CaF2， 造渣剂与碳化硅、 氮化硅杂质反应 ；
(4) 造渣剂与碳化硅、 氮化硅杂质反应后形成的反应物和残留的碳化硅、 氮化硅杂 质分布在上层形成渣层， 硅液分布在下层， 对位于硅液上层的渣层进行扒渣， 使得渣层与硅 液分开， 完成硅与碳化硅、 氮化硅杂质的分离。
实施例 45、 一种将硅与杂质进行分离的方法， 其中 ： 其操作步骤为 ：
(1) 将混有碳化硅、 氮化硅杂质的硅料置于加热设备中 ；
(2) 将混有碳化硅、 氮化硅杂质的硅料加热至 2000℃ ；
(3) 向混有 碳 化硅、 氮化硅杂 质的 硅液 中加入造 渣剂， 造渣剂的 成分 为 10 ％ SiO2 ∶ 80％ Na2O ∶ 10％ Al2O3， 造渣剂与碳化硅、 氮化硅杂质反应 ；
(4) 造渣剂与碳化硅、 氮化硅杂质反应后形成的反应物和残留的碳化硅、 氮化硅杂 质分布在上层形成渣层， 硅液分布在下层， 对位于硅液上层的渣层进行扒渣， 使得渣层与硅 液分开， 完成硅与碳化硅、 氮化硅杂质的分离。
实 施 例 46、 一 种 将 硅 与 杂 质 进 行 分 离 的 方 法， 其中 ： 造 渣 剂 的 成 分 为 25 ％ SiO2 ∶ 50％ CaO ∶ 25％ CaF2。其余同实施例 40-45 中的任意一种实施例。
实 施 例 47、 一 种 将 硅 与 杂 质 进 行 分 离 的 方 法， 其中 ： 造 渣 剂 的 成 分 为 25 ％ SiO2 ∶ 60％ Na2O ∶ 15％ CaF2。其余同实施例 40-45 中的任意一种实施例。
实 施 例 48、 一 种 将 硅 与 杂 质 进 行 分 离 的 方 法， 其中 ： 造 渣 剂 的 成 分 为 10 ％ SiO2 ∶ 70％ BaO ∶ 20％ CaCl2。其余同实施例 40-45 中的任意一种实施例。
实 施 例 49、 一 种 将 硅 与 杂 质 进 行 分 离 的 方 法， 其中 ： 造 渣 剂 的 成 分 为 40 ％ SiO2 ∶ 55％ MgO ∶ 5％ NaCl。其余同实施例 40-45 中的任意一种实施例。
实 施 例 50、 一 种 将 硅 与 杂 质 进 行 分 离 的 方 法， 其中 ： 造 渣 剂 的 成 分 为 35 ％ SiO2 ∶ 60％ K2O ∶ 5％ NaCl。其余同实施例 40-45 中的任意一种实施例。
实施例 51、 一种将硅与杂质进行分离的方法， 其中 ： 扒渣后增加定向凝固、 去硅锭 头部步骤。其余同实施例 40-50 中的任意一种实施例。
实施例 52、 一种将硅与杂质进行分离的方法， 其中 ： 将经过扒渣后得到的硅料置 于定向凝固设备中进行定向凝固得到硅锭， 去除硅锭头部即得到高纯度硅料。其余同实施 例 40-50 中的任意一种实施例。9