純化鋁的方法及經(jīng)純化的鋁用于純化硅的用圖
【專利說明】純化鋁的方法及經(jīng)純化的鋁用于純化硅的用途
[0001] 相關(guān)申請
[0002] 本申請要求于2012年6月25日提交的美國臨時(shí)申請61/663, 871號的優(yōu)先權(quán)之 權(quán)益，其通過引用全部并入本文。
【背景技術(shù)】
[0003] 太陽能電池目前通過利用其將日光轉(zhuǎn)換為電能的能力而用作能源。幾乎僅使用硅 作為這類光伏電池的半導(dǎo)體材料。目前對使用太陽能電池的明顯限制與將硅純化至太陽能 級（SG)的成本有關(guān)?？紤]到當(dāng)前的能量需求和供應(yīng)限制，對將冶金級（MG)硅（或較太陽能 級有更多雜質(zhì)的任何其他硅）純化至太陽能級硅的更有成本效率的方式存在著巨大需求。
[0004] 企業(yè)和研宄團(tuán)隊(duì)已經(jīng)致力于制造品質(zhì)改善的冶金級（UMG)硅。這些方法中的許多 方法受到限制，因?yàn)樗鼈冸y以降低硼的量。例如，通過鋁溶劑純化硅的方法最終受所使用的 鋁的純度限制。鋁中天然存在的硼的量相對低，并且可以在初級生產(chǎn)者位置處從大量鑄件 中篩選出來。這通常可以提供硼含量在〇.6ppmw范圍的鋁。盡管這足以生產(chǎn)0.4ppmw范 圍的硅晶體，但是該硼水平仍被認(rèn)為過高而不能生產(chǎn)不受降低的擊穿電壓影響的太陽能電 池?？蛇M(jìn)一步改善下游的硼含量，但是該方法出現(xiàn)其自身的挑戰(zhàn)。
【附圖說明】
[0005] 圖1示出了純化鋁的方法的方框流程圖。
[0006] 圖2示出了純化硅的方法的方框流程圖。
[0007] 圖3示出了純化鋁的方法的方框流程圖。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明提供用于純化鋁的方法。該方法包括：（a)由鋁和選自鈦、釩、鋯、鉻及其組 合的金屬添加劑形成熔融液體；(b)使得在熔融液體中形成雜質(zhì)，其中所述雜質(zhì)包含金屬 添加劑和硼的反應(yīng)產(chǎn)物；（c)任選地從熔融液體中去除至少一部分雜質(zhì)；（d)冷卻熔融液體 以形成凝固的鋁；和（e)任選地去除包含至少一部分雜質(zhì)的一部分凝固的鋁；其中，進(jìn)行所 述任選步驟中的至少一個(gè)以提供經(jīng)純化的鋁。
[0009] 本發(fā)明還提供用于純化鋁的方法。該方法包括：(a)由鋁和鈦形成熔融液體；(b) 使得在熔融液體中形成雜質(zhì)，其中所述雜質(zhì)包含鈦和硼的反應(yīng)產(chǎn)物；(c)任選地從熔融液 體中去除至少一部分雜質(zhì)；（d)冷卻熔融液體以形成凝固的鋁；和（e)任選地去除包含至少 一部分雜質(zhì)的一部分凝固的鋁；其中，進(jìn)行所述任選步驟中的至少一個(gè)以提供經(jīng)純化的鋁。
[0010] 本發(fā)明還提供用于純化硅的方法。該方法包括：（a)由硅和鋁形成熔融液體，其 中，錯(cuò)包含小于約0. 55ppmw的硼；(b)冷卻恪融液體以形成娃晶體和母液；和（C)分離娃晶 體和母液。
[0011] 本文所述的方法采用反應(yīng)化學(xué)以實(shí)現(xiàn)鋁的硼水平降低。如此，金屬添加劑（例如 鈦）與硼反應(yīng)以形成含硼的雜質(zhì)（例如TiB 2顆粒）。如果用金屬添加劑（例如鈦）處理鋁 熔池，則可以形成含硼的雜質(zhì)（例如TiB2顆粒），并且該含硼的雜質(zhì)可以與大部分鋁物理地 分離。例如，含硼的雜質(zhì)（例如TiB2顆粒）可以沉降到該池的底部，然后可以與大部分鋁物 理地分離。這可以有效地降低鋁中硼的水平，例如降低至低于約〇.2ppmw。該硼降低對隨后 的純化硅的方法的影響可以立即體現(xiàn)出來。據(jù)認(rèn)為，對太陽能電池不存在副作用，同樣地， 這在利用金屬添加劑（例如鈦）來去除硼方面表現(xiàn)出額外的優(yōu)點(diǎn)。最終硅晶體中的最終硼 水平由此可以得到降低，而當(dāng)在隨后的硅純化方法步驟中存在時(shí)不引入具有負(fù)面性質(zhì)的雜 質(zhì)。
[0012] 本發(fā)明提供純化鋁的方法，和/或經(jīng)純化的鋁作為溶劑金屬來純化硅的用途。利 用這樣的方法，可以獲得經(jīng)純化的材料（例如鋁和/或硅），所述經(jīng)純化的材料具有相對少 量的硼?？梢栽诮?jīng)純化的材料中獲得更一致（consistent)濃度的雜質(zhì)?？梢垣@得具有更 一致（consistent)品質(zhì)的經(jīng)純化的材料?？梢垣@得可用于產(chǎn)生更高品質(zhì)的產(chǎn)品的經(jīng)純化 的硅晶體的生產(chǎn)。該方法可以以相對有成本效率的方式來進(jìn)行，同時(shí)利用相對有成本效率 的材料。在純化鋁的過程中可以引入物質(zhì)（例如金屬添加劑，如鈦），其中所述物質(zhì)對太陽 能電池沒有任何明顯的或可觀的副作用。在純化鋁的過程中可以形成物質(zhì)（例如含硼的物 質(zhì)，如TiB 2)，其中未去除的任何剩余量的所述物質(zhì)對太陽能電池沒有任何明顯的或可觀的 副作用?？梢圆捎幂^不純的起始鋁作為硅純化中的溶劑金屬。使用較不純的起始鋁的能力 可以降低成本，并獲得更大的原料供應(yīng)。由此可以以相對有成本效率的方式完成經(jīng)純化的 硅晶體的生產(chǎn)。
【具體實(shí)施方式】
[0013] 以下詳細(xì)描述包括附圖參考，所述附圖形成詳細(xì)描述的一部分。舉例來說，附圖顯 示其中可以實(shí)施本發(fā)明的具體實(shí)施方案。對在本文中也被稱為"實(shí)例"的這些實(shí)施方案進(jìn) 行充分詳細(xì)地描述，以使得本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠?qū)嵤┍景l(fā)明。實(shí)施方案可以組合，可以采用 其他實(shí)施方案，或者可以在不背離本發(fā)明的范圍的情況下進(jìn)行結(jié)構(gòu)和邏輯改變。因此，以下 詳細(xì)描述不應(yīng)認(rèn)為是限制意義的，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求及其等同物來限定。
[0014] 在該文件中，術(shù)語"一（a或an)"用于包括一個(gè)或多于一個(gè)，而術(shù)語"或"用于指 無排他性的"或"，除非另外指明。另外，應(yīng)理解，本文中采用且沒有另外定義的措辭或用詞 僅用于說明的目的，而不是用于限制的目的。此外，本文件中提及的全部公開、專利和專利 文件都通過引用全部并入，如同通過引用單獨(dú)并入。在本文件與通過引用并入的那些文件 之間的用法不一致的情況下，在并入的參考文件中的用法應(yīng)當(dāng)被認(rèn)為是本文件中用法的補(bǔ) 充，對于矛盾的不一致，以本文件中的用法為準(zhǔn)。
[0015] 在本文所述的制造方法中，在不背離本發(fā)明的原則的情況下，可以以任意順序來 進(jìn)行步驟，除非明確地記載了時(shí)間順序或操作順序。權(quán)利要求中意指首先進(jìn)行一個(gè)步驟、然 后進(jìn)行多個(gè)其他步驟的記載應(yīng)認(rèn)為表示在任何其他步驟之前進(jìn)行第一步驟，但是可以以任 意合適的順序進(jìn)行其他步驟，除非在其他步驟內(nèi)進(jìn)一步記載了順序。例如，記載"步驟A、 步驟B、步驟C、步驟D和步驟E"的權(quán)利要求要素應(yīng)解釋為表示首先進(jìn)行步驟A、最后進(jìn)行步 驟E，可以在步驟A和步驟E之間以任意順序進(jìn)行步驟B、C和D，并且該順序仍落入要求保 護(hù)的方法的字面范圍內(nèi)。也可以重復(fù)給定的步驟或步驟的子集。
[0016] 此外，可以同時(shí)進(jìn)行指定步驟，除非明確的權(quán)利要求語言記載了它們單獨(dú)地進(jìn)行。 例如，可以在單個(gè)操作內(nèi)同時(shí)執(zhí)行要求保護(hù)的進(jìn)行X的步驟和要求保護(hù)的進(jìn)行Y的步驟，并 且所得到的方法會落入要求保護(hù)的方法的字面范圍內(nèi)。
[0017]定義
[0018] 如本文使用的，"純化"是指所關(guān)注的物質(zhì)與一種或多種外來物質(zhì)或污染物質(zhì)的物 理分離。與此相比，"雜質(zhì)"是指不期望的一種或多種外來物質(zhì)或污染物質(zhì)。
[0019] 如本文使用的，"熔融物（molten) "或"熔融液體"是指熔化的或一起熔化的一種 或多種物質(zhì)。
[0020] 如本文使用的，"熔化"是指將一種或多種固體物質(zhì)加熱至它們變成液體的溫度點(diǎn) (稱為熔點(diǎn)）或高于該溫度點(diǎn)的過程。同樣地，"熔化"是指物質(zhì)當(dāng)暴露于足夠的熱量時(shí)從 固體變成液體。
[0021] 如本文使用的，"鋁"是指具有符號A1和原子序數(shù)13的化學(xué)元素。該術(shù)語包括金 屬鋁或元素鋁（Al°)，或其合金。鋁一般會用作溶劑金屬。
[0022] 如本文使用的，"溶劑金屬"是指在加熱時(shí)可以有效地溶解硅從而生成熔融液體的 一種或多種金屬或其合金。合適的示例性溶劑金屬包括例如鋁或其合金，以及任選地包括 銅、錫、鋅、銻、銀、鉍、鎘、鎵、銦、鎂、鉛及其合金中的至少一種。
[0023] 如本文使用的，"合金"是指兩種或更多種元素的均勻混合物，所述兩種或更多種 元素中的至少一種是金屬，并且所得到的材料具有金屬性質(zhì)。所得到的金屬物質(zhì)通常具有 與其組分的性質(zhì)不同（有時(shí)明顯不同）的性質(zhì)。
[0024] 如本文使用的，"鈦"是指具有符號Ti和原子序數(shù)22的化學(xué)元素。該術(shù)語包括 金屬鈦或元素鈦（Ti°)，及其合金。鈦一般用于通過與含硼的雜質(zhì)絡(luò)合來從溶劑金屬（例如 鋁）中去除硼。
[0025] 如本文使用的，"釩"是指具有符號V和原子序數(shù)23的化學(xué)元素。該術(shù)語包括金屬 釩或元素釩（V°)，及其合金。釩一般用于通過與含硼的雜質(zhì)絡(luò)合或反應(yīng)來從溶劑金屬（例 如鋁）中去除硼。
[0026] 如本文使用的，"鋯"是指具有符號Zr和原子序數(shù)40的化學(xué)元素。該術(shù)語包括金 屬鋯或元素鋯（Zr°)，及其合金。鋯一般用于通過與含硼的雜質(zhì)絡(luò)合或反應(yīng)來從溶劑金屬 (例如鋁）中去除硼。
[0027] 如本文使用的，"鉻"是指具有符號Cr和原子序數(shù)24的化學(xué)元素。該術(shù)語包括金 屬鉻或元素鉻（Cr°)，及其合金。鉻一般用于通過與含硼的雜質(zhì)絡(luò)合或反應(yīng)來從溶劑金屬 (例如鋁）中去除硼。
[0028] 如本文使用的，"反應(yīng)產(chǎn)物"是指通過兩種或更多種物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)形成的化合 物。鈦和硼的示例性反應(yīng)產(chǎn)物包括二硼化鈦（TiB 2)。
[0029] 如本文使用的，"配位絡(luò)合物"、"金屬絡(luò)合物"或"絡(luò)合物"是指與周圍一組分子或 陰離子（包括，例如硼）（其轉(zhuǎn)而被稱為配體或絡(luò)合劑）鍵合的原子或離子（通常是金屬， 例如鈦、釩、鋯或鉻）。許多含金屬的化合物由配位絡(luò)合物構(gòu)成。
[0030] 如本文使用的，"凝固"是指將一種或多種液體物質(zhì)（例如熔融液體）冷卻至低于 它們變成固體的溫度點(diǎn)（稱為熔點(diǎn)）的過程。同樣地，"凝固"是指物質(zhì)當(dāng)冷卻時(shí)從液體變 成固體。
[0031] 如本文使用的，"去除"是指將一種物質(zhì)與另一種物質(zhì)分離（例如從混合物中去除 固體或液體）的過程，或者將一部分物質(zhì)與另一部分物質(zhì)分離（例如將一部分固體從另一 部分固體中去除）的過程。該過程可以采用本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的任何技術(shù)，例如傾析混 合物、從混合物中撇去一種或多種液體、離心混合物、從混合物中過濾出固體、切割固體以 去除其一部分，或其組合。
[0032] 如本文使用的，"硼"是指具有符號B和原子序數(shù)5的化學(xué)元素。該術(shù)語包括含有 硼的化合物（即包含B3+、B2+或B +的含硼化合物）及其組合。
[0033] 如本文使用的，"硅"是指具有符號Si和原子序數(shù)14的化學(xué)元素。該術(shù)語包括金 屬硅或元素硅（Si°)，或其合金。
[0034] 如本文使用的，"冶金級硅"是指相對純（例如至少約96. 0重量％ )的硅。
[0035] 如本文使用的，"晶態(tài)"包括在固體中的原子的規(guī)則幾何排布。同樣地，"硅晶體" 是指固體狀態(tài)的具有硅原子的規(guī)則幾何排布的硅。
[0036] 如本文使用的，"接觸"是指觸摸、使其接觸的行為或使物質(zhì)直接相鄰的行為。
[0037] 如本文使用的，"傾析"包括傾倒流體，留下沉積物或沉淀物，從而使流體與沉積物 或沉淀物分離。
[0038] 如本文使用的，"過濾"是指通過使物料流穿過諸如陶瓷膜或金屬膜的多孔板來 將固體與液體分離的機(jī)械過程，所述諸如陶瓷膜或金屬膜的多孔板保留固體并允許液體穿 過。這可以通過重力、壓力或真空（抽吸）來完成。過濾有效地將沉積物和/或沉淀物與 液體分尚。
[0039] 參照圖1，根據(jù)一些實(shí)施方案，示出了用于純化鋁的方法的方框流程圖100的實(shí) 例。通過加熱104鋁101和金屬添加劑102來形成熔融液體106?？梢詮娜廴谝后w106中 任選地去除雜質(zhì)108來提供經(jīng)純化的熔融物110。冷卻112熔融液體106或經(jīng)純化的熔融 物110來提供凝固的鋁114?？梢詫⒁徊糠帜痰匿X114任選地去除116來提供經(jīng)純化的 固體鋁118。
[0040] 通過加熱104鋁101和金屬添加劑102來形成熔融液體106。進(jìn)行鋁101和金屬 添加劑102的加熱，以達(dá)到會有效地形成熔融液體106的溫度。例如，該溫度可以是至少約 650。。。
[0041] 可以采用任何適量的金屬添加劑102,只要金屬添加劑102的量有效地使雜質(zhì)可 有效地從熔融液體106中去除。例如，相對于鋁101，可以采用至少約200ppmw的金屬添加 劑 102〇
[0042] 金屬添加劑102 -般會用于從溶劑金屬（例如鋁101)中去除雜質(zhì)（例如含硼的 雜質(zhì)）。同樣地，可以從硼中純化鋁101，使得從鋁101中去除至少一些硼。例如，鋁101可 以包含至少約〇? 30ppmw的硼。
[0043] 含硼的雜質(zhì)一般會包含金屬添加劑102和硼的反應(yīng)產(chǎn)物，例如二硼化鈦（TiB2)。額 外的雜質(zhì)包含由金屬添加劑、硼和熔融液體中存在的或與