纯化铝的方法及经纯化的铝用于纯化硅的用图
【专利说明】纯化铝的方法及经纯化的铝用于纯化硅的用途
[0001] 相关申请
[0002] 本申请要求于2012年6月25日提交的美国临时申请61/663, 871号的优先权之 权益，其通过引用全部并入本文。
【背景技术】
[0003] 太阳能电池目前通过利用其将日光转换为电能的能力而用作能源。几乎仅使用硅 作为这类光伏电池的半导体材料。目前对使用太阳能电池的明显限制与将硅纯化至太阳能 级（SG)的成本有关。考虑到当前的能量需求和供应限制，对将冶金级（MG)硅（或较太阳能 级有更多杂质的任何其他硅）纯化至太阳能级硅的更有成本效率的方式存在着巨大需求。
[0004] 企业和研宄团队已经致力于制造品质改善的冶金级（UMG)硅。这些方法中的许多 方法受到限制，因为它们难以降低硼的量。例如，通过铝溶剂纯化硅的方法最终受所使用的 铝的纯度限制。铝中天然存在的硼的量相对低，并且可以在初级生产者位置处从大量铸件 中筛选出来。这通常可以提供硼含量在〇.6ppmw范围的铝。尽管这足以生产0.4ppmw范 围的硅晶体，但是该硼水平仍被认为过高而不能生产不受降低的击穿电压影响的太阳能电 池。可进一步改善下游的硼含量，但是该方法出现其自身的挑战。
【附图说明】
[0005] 图1示出了纯化铝的方法的方框流程图。
[0006] 图2示出了纯化硅的方法的方框流程图。
[0007] 图3示出了纯化铝的方法的方框流程图。
【发明内容】
[0008] 本发明提供用于纯化铝的方法。该方法包括：（a)由铝和选自钛、钒、锆、铬及其组 合的金属添加剂形成熔融液体；(b)使得在熔融液体中形成杂质，其中所述杂质包含金属 添加剂和硼的反应产物；（c)任选地从熔融液体中去除至少一部分杂质；（d)冷却熔融液体 以形成凝固的铝；和（e)任选地去除包含至少一部分杂质的一部分凝固的铝；其中，进行所 述任选步骤中的至少一个以提供经纯化的铝。
[0009] 本发明还提供用于纯化铝的方法。该方法包括：(a)由铝和钛形成熔融液体；(b) 使得在熔融液体中形成杂质，其中所述杂质包含钛和硼的反应产物；(c)任选地从熔融液 体中去除至少一部分杂质；（d)冷却熔融液体以形成凝固的铝；和（e)任选地去除包含至少 一部分杂质的一部分凝固的铝；其中，进行所述任选步骤中的至少一个以提供经纯化的铝。
[0010] 本发明还提供用于纯化硅的方法。该方法包括：（a)由硅和铝形成熔融液体，其 中，错包含小于约0. 55ppmw的硼；(b)冷却恪融液体以形成娃晶体和母液；和（C)分离娃晶 体和母液。
[0011] 本文所述的方法采用反应化学以实现铝的硼水平降低。如此，金属添加剂（例如 钛）与硼反应以形成含硼的杂质（例如TiB 2颗粒）。如果用金属添加剂（例如钛）处理铝 熔池，则可以形成含硼的杂质（例如TiB2颗粒），并且该含硼的杂质可以与大部分铝物理地 分离。例如，含硼的杂质（例如TiB2颗粒）可以沉降到该池的底部，然后可以与大部分铝物 理地分离。这可以有效地降低铝中硼的水平，例如降低至低于约〇.2ppmw。该硼降低对随后 的纯化硅的方法的影响可以立即体现出来。据认为，对太阳能电池不存在副作用，同样地， 这在利用金属添加剂（例如钛）来去除硼方面表现出额外的优点。最终硅晶体中的最终硼 水平由此可以得到降低，而当在随后的硅纯化方法步骤中存在时不引入具有负面性质的杂 质。
[0012] 本发明提供纯化铝的方法，和/或经纯化的铝作为溶剂金属来纯化硅的用途。利 用这样的方法，可以获得经纯化的材料（例如铝和/或硅），所述经纯化的材料具有相对少 量的硼。可以在经纯化的材料中获得更一致（consistent)浓度的杂质。可以获得具有更 一致（consistent)品质的经纯化的材料。可以获得可用于产生更高品质的产品的经纯化 的硅晶体的生产。该方法可以以相对有成本效率的方式来进行，同时利用相对有成本效率 的材料。在纯化铝的过程中可以引入物质（例如金属添加剂，如钛），其中所述物质对太阳 能电池没有任何明显的或可观的副作用。在纯化铝的过程中可以形成物质（例如含硼的物 质，如TiB 2)，其中未去除的任何剩余量的所述物质对太阳能电池没有任何明显的或可观的 副作用。可以采用较不纯的起始铝作为硅纯化中的溶剂金属。使用较不纯的起始铝的能力 可以降低成本，并获得更大的原料供应。由此可以以相对有成本效率的方式完成经纯化的 硅晶体的生产。
【具体实施方式】
[0013] 以下详细描述包括附图参考，所述附图形成详细描述的一部分。举例来说，附图显 示其中可以实施本发明的具体实施方案。对在本文中也被称为"实例"的这些实施方案进 行充分详细地描述，以使得本领域技术人员能够实施本发明。实施方案可以组合，可以采用 其他实施方案，或者可以在不背离本发明的范围的情况下进行结构和逻辑改变。因此，以下 详细描述不应认为是限制意义的，本发明的范围由所附权利要求及其等同物来限定。
[0014] 在该文件中，术语"一（a或an)"用于包括一个或多于一个，而术语"或"用于指 无排他性的"或"，除非另外指明。另外，应理解，本文中采用且没有另外定义的措辞或用词 仅用于说明的目的，而不是用于限制的目的。此外，本文件中提及的全部公开、专利和专利 文件都通过引用全部并入，如同通过引用单独并入。在本文件与通过引用并入的那些文件 之间的用法不一致的情况下，在并入的参考文件中的用法应当被认为是本文件中用法的补 充，对于矛盾的不一致，以本文件中的用法为准。
[0015] 在本文所述的制造方法中，在不背离本发明的原则的情况下，可以以任意顺序来 进行步骤，除非明确地记载了时间顺序或操作顺序。权利要求中意指首先进行一个步骤、然 后进行多个其他步骤的记载应认为表示在任何其他步骤之前进行第一步骤，但是可以以任 意合适的顺序进行其他步骤，除非在其他步骤内进一步记载了顺序。例如，记载"步骤A、 步骤B、步骤C、步骤D和步骤E"的权利要求要素应解释为表示首先进行步骤A、最后进行步 骤E，可以在步骤A和步骤E之间以任意顺序进行步骤B、C和D，并且该顺序仍落入要求保 护的方法的字面范围内。也可以重复给定的步骤或步骤的子集。
[0016] 此外，可以同时进行指定步骤，除非明确的权利要求语言记载了它们单独地进行。 例如，可以在单个操作内同时执行要求保护的进行X的步骤和要求保护的进行Y的步骤，并 且所得到的方法会落入要求保护的方法的字面范围内。
[0017]定义
[0018] 如本文使用的，"纯化"是指所关注的物质与一种或多种外来物质或污染物质的物 理分离。与此相比，"杂质"是指不期望的一种或多种外来物质或污染物质。
[0019] 如本文使用的，"熔融物（molten) "或"熔融液体"是指熔化的或一起熔化的一种 或多种物质。
[0020] 如本文使用的，"熔化"是指将一种或多种固体物质加热至它们变成液体的温度点 (称为熔点）或高于该温度点的过程。同样地，"熔化"是指物质当暴露于足够的热量时从 固体变成液体。
[0021] 如本文使用的，"铝"是指具有符号A1和原子序数13的化学元素。该术语包括金 属铝或元素铝（Al°)，或其合金。铝一般会用作溶剂金属。
[0022] 如本文使用的，"溶剂金属"是指在加热时可以有效地溶解硅从而生成熔融液体的 一种或多种金属或其合金。合适的示例性溶剂金属包括例如铝或其合金，以及任选地包括 铜、锡、锌、锑、银、铋、镉、镓、铟、镁、铅及其合金中的至少一种。
[0023] 如本文使用的，"合金"是指两种或更多种元素的均匀混合物，所述两种或更多种 元素中的至少一种是金属，并且所得到的材料具有金属性质。所得到的金属物质通常具有 与其组分的性质不同（有时明显不同）的性质。
[0024] 如本文使用的，"钛"是指具有符号Ti和原子序数22的化学元素。该术语包括 金属钛或元素钛（Ti°)，及其合金。钛一般用于通过与含硼的杂质络合来从溶剂金属（例如 铝）中去除硼。
[0025] 如本文使用的，"钒"是指具有符号V和原子序数23的化学元素。该术语包括金属 钒或元素钒（V°)，及其合金。钒一般用于通过与含硼的杂质络合或反应来从溶剂金属（例 如铝）中去除硼。
[0026] 如本文使用的，"锆"是指具有符号Zr和原子序数40的化学元素。该术语包括金 属锆或元素锆（Zr°)，及其合金。锆一般用于通过与含硼的杂质络合或反应来从溶剂金属 (例如铝）中去除硼。
[0027] 如本文使用的，"铬"是指具有符号Cr和原子序数24的化学元素。该术语包括金 属铬或元素铬（Cr°)，及其合金。铬一般用于通过与含硼的杂质络合或反应来从溶剂金属 (例如铝）中去除硼。
[0028] 如本文使用的，"反应产物"是指通过两种或更多种物质的化学反应形成的化合 物。钛和硼的示例性反应产物包括二硼化钛（TiB 2)。
[0029] 如本文使用的，"配位络合物"、"金属络合物"或"络合物"是指与周围一组分子或 阴离子（包括，例如硼）（其转而被称为配体或络合剂）键合的原子或离子（通常是金属， 例如钛、钒、锆或铬）。许多含金属的化合物由配位络合物构成。
[0030] 如本文使用的，"凝固"是指将一种或多种液体物质（例如熔融液体）冷却至低于 它们变成固体的温度点（称为熔点）的过程。同样地，"凝固"是指物质当冷却时从液体变 成固体。
[0031] 如本文使用的，"去除"是指将一种物质与另一种物质分离（例如从混合物中去除 固体或液体）的过程，或者将一部分物质与另一部分物质分离（例如将一部分固体从另一 部分固体中去除）的过程。该过程可以采用本领域技术人员已知的任何技术，例如倾析混 合物、从混合物中撇去一种或多种液体、离心混合物、从混合物中过滤出固体、切割固体以 去除其一部分，或其组合。
[0032] 如本文使用的，"硼"是指具有符号B和原子序数5的化学元素。该术语包括含有 硼的化合物（即包含B3+、B2+或B +的含硼化合物）及其组合。
[0033] 如本文使用的，"硅"是指具有符号Si和原子序数14的化学元素。该术语包括金 属硅或元素硅（Si°)，或其合金。
[0034] 如本文使用的，"冶金级硅"是指相对纯（例如至少约96. 0重量％ )的硅。
[0035] 如本文使用的，"晶态"包括在固体中的原子的规则几何排布。同样地，"硅晶体" 是指固体状态的具有硅原子的规则几何排布的硅。
[0036] 如本文使用的，"接触"是指触摸、使其接触的行为或使物质直接相邻的行为。
[0037] 如本文使用的，"倾析"包括倾倒流体，留下沉积物或沉淀物，从而使流体与沉积物 或沉淀物分离。
[0038] 如本文使用的，"过滤"是指通过使物料流穿过诸如陶瓷膜或金属膜的多孔板来 将固体与液体分离的机械过程，所述诸如陶瓷膜或金属膜的多孔板保留固体并允许液体穿 过。这可以通过重力、压力或真空（抽吸）来完成。过滤有效地将沉积物和/或沉淀物与 液体分尚。
[0039] 参照图1，根据一些实施方案，示出了用于纯化铝的方法的方框流程图100的实 例。通过加热104铝101和金属添加剂102来形成熔融液体106。可以从熔融液体106中 任选地去除杂质108来提供经纯化的熔融物110。冷却112熔融液体106或经纯化的熔融 物110来提供凝固的铝114。可以将一部分凝固的铝114任选地去除116来提供经纯化的 固体铝118。
[0040] 通过加热104铝101和金属添加剂102来形成熔融液体106。进行铝101和金属 添加剂102的加热，以达到会有效地形成熔融液体106的温度。例如，该温度可以是至少约 650。。。
[0041] 可以采用任何适量的金属添加剂102,只要金属添加剂102的量有效地使杂质可 有效地从熔融液体106中去除。例如，相对于铝101，可以采用至少约200ppmw的金属添加 剂 102〇
[0042] 金属添加剂102 -般会用于从溶剂金属（例如铝101)中去除杂质（例如含硼的 杂质）。同样地，可以从硼中纯化铝101，使得从铝101中去除至少一些硼。例如，铝101可 以包含至少约〇? 30ppmw的硼。
[0043] 含硼的杂质一般会包含金属添加剂102和硼的反应产物，例如二硼化钛（TiB2)。额 外的杂质包含由金属添加剂、硼和熔融液体中存在的或与