本发明属于多晶硅提纯领域，具体涉及一种应用于多晶硅提纯的介质熔炼衔接初步定向凝固工艺，包括介质熔炼，将待提纯硅块与渣剂反应，出去硅中的硼杂质，其特征在于介质熔炼结束后，将硅液置于大气条件下的初步定向凝固设备中，采用底部水冷拉锭的方式，将硅液中的金属杂质聚集到顶部予以去除。本发明的优点在于周期短，生产效率高，而且工艺简单，节约能源，成本低。
1.一种应用于多晶硅提纯的介质熔炼衔接初步定向凝固工艺，包括介质熔炼，将待提纯硅块与渣剂反应，除去硅中的硼杂质，其特征在于介质熔炼结束后，将硅液置于大气条件下的初步定向凝固设备中，采用底部水冷拉锭的方式，将硅液中的金属杂质聚集到顶部予以去除；
(1)介质熔炼：在中频感应加热炉中的石墨坩埚加入占渣剂总质量20％的渣剂和全部待提纯硅块，控制加热功率使其全部熔化，然后分3～5次加入剩余渣剂进行熔炼，熔炼温度为1600～1800℃，每次加入的熔炼时间为20～30min，熔炼后将上层旧渣倒入耐热铸铁模具中；重复上述介质熔炼过程1～3次，每次加入的新渣剂分2～5次加入；
(2)初步定向凝固：将最后一次介质熔炼结束后，占旧渣总质量80～90％的旧渣倒入耐热铸铁模具中，然后将硅液和剩余旧渣倒入初步定向凝固设备中提前预热到1000～
1300℃的石墨坩埚中，该初步定向凝固设备置于大气条件下，调整感应线圈功率，在石墨坩埚上感应生成电流使石墨坩埚继续受热升温，控制硅液温度为1450～1550℃，熔炼10～
30min，然后启动石墨坩埚底部的水冷拉锭机构开始拉锭，拉锭方向为向下远离石墨坩埚外壁的炉衬方向，当石墨坩埚中剩余硅液为初始硅液总质量10～20％时停止拉锭，将上层液体倒入铸铁模具中，剩余部分炉冷至室温，取出硅锭对表面做喷砂处理后即得到4N硅锭。
2.根据权利要求1所述的应用于多晶硅提纯的介质熔炼衔接初步定向凝固工艺，其特征在于步骤(1)中待提纯硅块为冶金级硅，所述冶金级硅中硅含量为97.0～99.9wt％，杂质硼含量为10～20ppmw。
3.根据权利要求1所述的应用于多晶硅提纯的介质熔炼衔接初步定向凝固工艺，其特征在于步骤(1)中每次介质熔炼过程中硅液与渣剂的质量比为 0.5～3:1。
4.根据权利要求1所述的应用于多晶硅提纯的介质熔炼衔接初步定向凝固工艺，其特征在于步骤(1)中在中频感应加热炉中的石墨坩埚加入占渣剂总质量20％的渣剂和全部待提纯硅块，控制加热功率200～300KW使其全部熔化。
5.根据权利要求1所述的应用于多晶硅提纯的介质熔炼衔接初步定向凝固工艺，其特征在于步骤(2)中的拉锭速度为4～6cm/h。
6.根据权利要求1所述的应用于多晶硅提纯的介质熔炼衔接初步定向凝固工艺，其特征在于步骤(2)中的炉衬选用耐火胶泥制成。
应用于多晶硅提纯的介质熔炼衔接初步定向凝固工艺
技术领域
[0001] 本发明属于多晶硅提纯领域，具体涉及一种应用于多晶硅提纯的介质熔炼衔接初步定向凝固工艺。
背景技术
[0002] 当今世界能源危机与环境污染压力并存，人们急需清洁、安全，可持续的新能源。太阳能作为满足这样要求的能源，一直都是人们追求的目标。人们对太阳能的使用最早是其热效应的利用，但难以完全满足现代社会的需要。直到半导体光电效应的发现，太阳能电池的制造，人们找到太阳能新的利用方式。硅作为太阳能电池的最理想原料，其中的杂质主要有Fe、Al、Ca等金属杂质和B、P等非金属杂质，而这些杂质元素会降低硅晶粒界面处光生载流子的复合程度，而光生载流子的复合程度又决定了太阳能电池的光电转换效率，所以有效的去除这些杂质在太阳能电池的应用方面有着至关重要的作用。
[0003] 太阳能光伏产业的发展依赖于对多晶硅原料的提纯。多晶硅原料的提纯工艺目前主要依赖以下几种工艺：西门子法、硅烷法、气体流化床法和冶金法。其中，冶金法因具备工艺简单、成本较低的优点极具发展潜力。目前，冶金法工艺主要有四大工艺环节，介质熔炼、定向凝固、电子束熔炼和铸锭。
[0004] 传统的冶金法工艺流程中，介质熔炼工艺只能去除多晶硅中的B杂质，对于金属杂质起不到去除作用，而大量的金属杂质会给后续的定向凝固工艺带来很大的压力，因此定向凝固过程往往需要重复1～2次，造成了较大的开支成本。介质熔炼后的硅液都需要经过凝固过程，自然凝固过程后的硅锭中，由于冷却过程中不存在温度梯度，因此金属杂质的分布不存在梯度，无法将金属杂质和硅锭分开，同时表皮仍然需要去除才能进行下一步的除杂工艺。
发明内容
[0005] 根据以上现有技术的不足，本发明提出一种应用于多晶硅提纯的介质熔炼衔接初步定向凝固工艺，在介质熔炼与定向凝固两个工艺环节之间加入初步定向凝固，从而去除大部分金属杂质，减轻后续定向凝固的压力，只需进行一次定向凝固即可。
[0006] 本发明所述的一种应用于多晶硅提纯的介质熔炼衔接初步定向凝固工艺，包括介质熔炼，将待提纯硅块与渣剂反应，除去硅中的硼杂质，介质熔炼结束后，将硅液置于大气条件下的初步定向凝固设备中，采用底部水冷拉锭的方式，将硅液中的金属杂质聚集到顶部予以去除。
[0007] 本发明的优选方案如下：优选包括以下步骤：
[0008] （1）介质熔炼：在中频感应加热炉中的石墨坩埚加入占渣剂总质量20%的渣剂和全部待提纯硅块，控制加热功率使其全部熔化，然后分3～5次加入剩余渣剂进行熔炼，熔炼温度为1600～1800℃，每次加入的熔炼时间为20～30min，熔炼后将上层旧渣倒入耐热铸铁模具中；重复上述介质熔炼过程1～3次，每次加入的新渣剂分2～5次加入；
[0009] （2）初步定向凝固：将最后一次介质熔炼结束后，占旧渣总质量80～90%的旧渣倒入耐热铸铁模具中，然后将硅液和剩余旧渣倒入初步定向凝固设备中提前预热到1000～1300℃的石墨坩埚中，该初步定向凝固设备置于大气条件下，调整感应线圈功率，在石墨坩埚上感应生成电流使石墨坩埚继续受热升温，控制硅液温度为1450～1550℃，熔炼10～
30min，然后启动石墨坩埚底部的水冷拉锭机构开始拉锭，拉锭方向为向下远离石墨坩埚外壁的炉衬方向，当石墨坩埚中剩余硅液为初始硅液总质量10～20%时停止拉锭，将上层液体倒入铸铁模具中，剩余部分炉冷至室温，取出硅锭对表面做喷砂处理后即得到4N（4N指硅含量为99.99%以上）硅锭。
[0010] 其中，步骤（1）中待提纯硅块优选为冶金级硅，所述冶金级硅中硅含量为97.0～99.9wt%，杂质硼含量为10～20ppmw。
[0011] 步骤（1）中每次介质熔炼过程中硅液与渣剂的质量比优选为0.5～3:1。
[0012] 步骤（1）中在中频感应加热炉中的石墨坩埚加入占渣剂总质量20%的渣剂和全部待提纯硅块，优选控制加热功率200～300KW使其全部熔化。
[0013] 步骤（2）中的拉锭速度优选为4～6cm/h，由于只是初步定向凝固，而不是严格的定向凝固，所以拉锭速度较快，使其在较短的时间内完成，提高整体工作效率。
[0014] 步骤（2）中的炉衬优选用耐火胶泥制成。炉衬的作用是起到保温的作用，在拉锭过程中，拉出炉衬部分的石墨坩埚会大量散热，从而造成温度梯度，使金属杂质向上聚集。
[0015] 本发明中，初步定向凝固设备不同于严格意义上的定向凝固设备，是在大气条件下，而不是真空条件下；没有保温套筒，而是用炉衬替代保温作用；由于保温效果不明显，所以定向凝固效果一般，但是同样能够去除大部分金属杂质，减轻定向凝固的压力。另外，将介质熔炼结束后的硅液倒入初步定向凝固设备中的石墨坩埚时，还会倒入一少部分旧渣，目的是旧渣会漂浮于硅液表面，起到隔绝大气的作用，防止硅液氧化。最后这部分旧渣会跟随剩余10～20%的硅液一起排出，且剩余的这部分硅液会含有大量的金属杂质。
[0016] 本发明的优点在于：（1）通过将介质熔炼与初步快速定向凝固工艺相结合，在去除硼杂质的基础上，也可以将大部分金属杂质去除，使硅料中杂质硼含量小于0.3ppmw，从而硅锭达到4N以上水平，大大缩短后续定向凝固工艺的提纯次数，降低生产压力，节约能源；（2）在初步快速定向凝固过程中，于液态下将上部杂质富集部分倒出，省去凝固后尾料去除过程，避免了原料浪费；（3）全液态的两种工艺衔接，可节省电耗3000～4000度/吨，使介质熔炼生产成本降低2000～3000元/吨，并且可以实现连续化生产。
具体实施方式
[0017] 以下结合实施例对本发明做进一步描述。
[0018] 实施例1：
[0019] （1）选料：待提纯硅块600kg为冶金级硅，所述冶金级硅中硅含量为97.0～99.9wt%，杂质硼含量为10～20ppmw。渣剂选用常用的硅钙系造渣剂，总量为2400kg，分成两份，用作两次介质熔炼过程，从而每次介质熔炼过程中硅渣比为0.5:1。
[0020] （2）介质熔炼：在中频感应加热炉中的石墨坩埚加入240kg渣剂和全部待提纯硅块，控制加热功率250KW使其全部熔化，然后分5次加入剩余渣剂进行熔炼，熔炼温度为1600℃，每次加入的熔炼时间为20min，熔炼后将上层旧渣倒入耐热铸铁模具中；重复上述
