本發明涉及半導體和太陽能硅材料技術領域，具體地說是一種批量化制備高純亞微米水合硅和硅微粒的方法。

背景技術：
隨著現代信息產業和新能源產業的發展,以高純硅材料為基礎的半導體電子技術已發展成為現代信息社會的支柱產業；同時，以高純硅材料為基礎的太陽能光伏發電技術也正在發展成為可再生能源的支柱產業。高純硅材料的需求和消耗也在持續不斷的增長。高純硅材料按結構可分為單晶硅和多晶硅。半導體器件如集成電路用的主要是單晶硅片，純度在99.99999%以上；太陽能電池根據發電效率的高低，單晶硅片和多晶硅片都有用到，純度在99.9999%以上。因單晶硅太陽能電池的發電效率高、可靠性高、使用壽命長，隨著技術進步將會主導太陽能光伏產業。高純硅片的生產是由高純硅棒或硅錠經過線切割而制備的，一般約60%的硅棒或硅錠可制備為硅片，其余約40%的硅則為粉體留在了切割液中，硅粉體經脫水后作為廢料處理。一般切割硅片時，采用金屬線在含有碳化硅微粒與有機物，如聚乙二醇PEG的水溶液作用下，進行研磨切割，線徑一般在250微米以上。切割后的水溶液中含有硅、碳化硅、有機物、金屬等作為廢料或廢液處理，不易分離提純和循環利用。新發展的金剛石線切割，是采用金屬線表面鍍有金剛石微粒的絲線在水溶液作用下對硅棒進行研磨切割，線徑一般在250微米以下，可有約65~70%硅棒材料切割為硅片，提高了硅棒的利用率。同時仍然有約30~35%的硅棒材料被研磨切割為硅微粒粉末分散于水溶液中，作為廢料或廢液處理。特別是隨著太陽能光伏產業的高速發展，在晶體硅片生產時產生了大量的含硅粉的廢水，易造成環境污染；所產生的廢水或廢料處理成本高昂，也制約了太陽能光伏產業的發展。因此，需要設計一種批量化制備高純亞微米水合硅和硅微粒的方法，將含硅微粒的廢料進一步提純后進行循環利用，以減少水資源的浪費，降低環境污染風險，同時也可大幅降低硅片生產的綜合成本，促進半導體和太陽能光伏產業的綠色發展。

技術實現要素：
本發明的目的是克服現有技術的不足，提供了一種批量化制備高純亞微米水合硅和硅微粒的方法，將含硅微粒的廢料進一步提純后進行循環利用，以減少水資源的浪費，降低環境污染風險，同時也可大幅降低硅片生產的綜合成本，促進半導體和太陽能光伏產業的綠色發展。為了達到上述目的，本發明是一種批量化制備高純亞微米水合硅和硅微粒的方法，其特征在于：按如下步驟制備：步驟1，采用微細金剛石線，在去離子水輔助下，對高純硅棒或硅錠進行研磨切割，形成高純硅片和分散在去離子水中的硅微粒；步驟2，當去離子水中的硅微粒濃度達到10wt%后，將去離子水和硅微粒的混合物排出，并進行提純分離，形成壓濾水和水合硅微粒；步驟3，對壓濾水進行純化后，注入微細金剛石線切割工藝過程中進行循環使用，對水合硅微粒進行真空冷凍干燥，形成高純硅微粒。所述的微細金剛石線為金屬線表面鍍有金剛石微粒的絲線，線徑為30~120微米，金剛石微粒尺寸為5~20微米，所述的去離子水為電阻率18MΩ的高純水。所述的提純分離具體步驟如下：步驟1，采用孔徑<2μm的微濾膜，對去離子水和硅微粒的混合物進行過濾，將大顆粒或團聚體濾除，形成含有硅微粒的水的懸濁液，硅微粒尺寸在1μm以內；步驟2，采用鉑金屬絲或鉑金屬片作為電容式結構的電化學催化電極陣列，放入懸濁液中，在陰極和陽極間加直流或脈沖直流電壓2-24V，在電場作用下，懸濁液中微量的碳在陽極表面被氧化分解為二氧化碳，微量的金屬離子在陰極表面還原沉積，去除雜質；步驟3，采用具有孔徑<0.5μm微孔膜的壓濾設備，對去雜質后的懸濁液進行壓濾，形成液體的壓濾水和固態的水合硅微粒。所述的對壓濾水進行純化包括電容去離子、電滲析、反滲透、離子交換吸附處理。所述的對水合硅微粒進行真空冷凍干燥具體步驟如下：步驟1，溫度控制在-10℃以下，將水合硅微粒放入真空腔室內，抽真空至真空度達到10Pa以下，水合硅微粒中的水升華為氣態，硅微粒脫水，形成高純硅微粒，純度在99.999%以上；步驟2，對高純硅微粒采用真空或充惰性氣體包裝。所述的高純硅微粒在惰性氣體和濃度小于等于5vol%氫氣的混合氣氛下，進行熔融，氫氣將高純硅微粒表面的氧化硅中的氧還原去除，形成高純多晶硅塊體材料，純度99.9999%以上。所述的高純硅微粒在氮氫或氨氣氛下，經溫度為800~1400℃的氮化熱處理后，形成高純氮化硅微粒，用于氮化硅陶瓷材料的制備。所述的高純硅微粒在碳氫聚合物復合或碳氫氣氛下，經碳化熱處理后，形成高純碳化硅微粒，用于碳化硅陶瓷材料的制備。所述的水合硅微粒，在氫氟酸溶液中，經化學腐蝕或電化學刻蝕后，形成納米多孔硅微粒，納米多孔硅微粒加熱氧化后，形成高比表面積的納米多孔水合氧化硅或納米多孔氧化硅微粒材料。所述的納米多孔硅微粒，與碳材料或金屬材料復合，形成高容量和納米多孔硅碳或硅金屬復合材料，用于能量存儲器件。本發明同現有技術相比，采用微細金剛石線切割工藝，在去離子水作用下對高純硅棒進行研磨切割制備高純硅片，同時，將切割后的去離子水和硅微粒的混合物進行提純，以制備高純水合硅微粒或高純硅微粒，并加以資源化利用。經硅微粒提純后的水溶液再凈化后可注入微細金剛石線切割工藝工程中進行循環使用。附圖說明圖1為本發明的工藝流程圖。圖2為本發明水合硅微粒的結構示意圖。具體實施方式現結合附圖對本發明做進一步描述。參見圖1，本發明一種批量化制備高純亞微米水合硅和硅微粒的方法，按如下步驟制備：步驟1，采用微細金剛石線，在去離子水輔助下，對純度為99.9999%以上的高純硅棒或硅錠進行研磨切割，形成用于半導體器件或太陽能電池生產的高純硅片和分散在去離子水中的硅微粒。微細金剛石線為金屬線表面鍍有金剛石微粒的絲線，線徑為30~120微米，金剛石微粒尺寸為5~20微米，在金剛石微粒的研磨作用下，所產生的硅微粒尺寸在1微米以下。金剛石的線徑越細，切割的硅片數量越多，如采用80微米的金剛石線切割厚度為180微米的高純硅片，約70%的高純硅棒材料切割為高純硅片，其余約30%的高純硅棒被研磨為硅微粒。去離子水為電阻率18MΩ的高純水，去離子水在微細金剛石線切割研磨高純硅棒時，起冷卻和潤滑作用，同時對研磨的硅微粒起沖洗作用。步驟2，當去離子水中的硅微粒濃度達到10wt%后，將去離子水和硅微粒的混合物排出，并進行提純分離，形成壓濾水和水合硅微粒。提純分離具體步驟如下：步驟1，采用孔徑<2μm的微濾膜，對去離子水和硅微粒的混合物進行過濾，將大顆粒或團聚體濾除，形成含有硅微粒的水的懸濁液，硅微粒尺寸在1μm以內，除水和硅微粒外，懸濁液中還含有濃度<0.1mg/L的碳和濃度<1ppm的金屬離子兩種雜質，金屬離子可能的元素為Fe,Ni,Cr,Ti。步驟2，采用鉑金屬絲或鉑金屬片作為電容式結構的電化學催化電極陣列，放入懸濁液中，在陰極和陽極間加直流或脈沖直流電壓2-24V，在電場作用下，懸濁液中微量的碳在陽極表面被氧化分解為二氧化碳，微量的金屬離子在陰極表面還原沉積，去除雜質。步驟3，采用具有孔徑<0.5μm微孔膜的壓濾設備，對去雜質后的懸濁液進行壓濾，形成液體的壓濾水和固態的水合硅微粒。本發明所制備的水合硅微粒，主要由高純硅微粒和水組成，高純硅微粒尺寸在100~1000nm范圍，純度為99.9999%以上，硅微粒表面在切割研磨工藝過程中會形成有一薄層厚度<1nm的氧化硅。因形成的氧化硅層為極性分子，與水分子易結合，形成了水合硅微粒Si-nH2O，含水量約在30%。水合硅微粒的結構示意圖如圖2所述，粒度大小在亞微米量級，在表面吸附了水分子。水合硅微粒呈現濕潤的粉末狀形態，空氣中較為穩定。步驟3，對壓濾水進行純化后，注入微細金剛石線進行循環使用，對水合硅微粒進行真空冷凍干燥，形成高純硅微粒。對壓濾水進行純化包括電容去離子、電滲析、反滲透、離子交換吸附處理。對水合硅微粒進行真空冷凍干燥具體步驟如下：步驟1，溫度控制在-10℃以下，將水合硅微粒放入真空腔室內，抽真空至真空度達到10Pa以下，水合硅微粒中的水升華為氣態，硅微粒脫水，形成高純硅微粒，純度在99.999%以上，步驟2，對高純硅微粒采用真空或充惰性氣體包裝。本發明所制備的水合硅微粒，若采用加熱方式脫水，因硅微粒尺寸較小，表面活性較高，當溫度大于60℃時，表面易被氧化，使得硅微粒的純度下降。本發明采用的真空冷凍干燥工藝，可避免硅微粒在脫水過程中的氧化。由于硅微粒的粒度為亞微米級，比表面較大，硅微粒暴露在空氣中，極易被氧化，甚至會發生自燃等危險情況，為了避免硅微粒暴露在空氣中，本發明采用真空或充如氬氣的惰性氣體，進行包裝。本發明制備的高純硅微粒在如氬氣和濃度小于等于5vol%氫氣的混合氣氛下，進行熔融，氫氣將高純硅微粒表面的氧化硅中的氧還原去除，形成高純多晶硅塊體材料，純度99.9999%以上，多晶硅塊體材料進一步制備形成單晶硅棒材料，可用于太陽能電池的生產，做到了硅材料的循環利用。本發明制備的高純硅微粒在氮氫或氨氣氛下，經溫度為800~1400℃的氮化熱處理后，形成高純氮化硅微粒，用于氮化硅陶瓷材料的制備。本發明制備的高純硅微粒在碳氫聚合物復合或碳氫氣氛下，經碳化熱處理后，形成高純碳化硅微粒，用于碳化硅陶瓷材料的制備。本發明制備的水合硅微粒，在氫氟酸溶液中，經化學腐蝕或電化學刻蝕后，形成納米多孔硅微粒，納米多孔硅微粒，可作為高容量的儲能或含能材料應用。納米多孔硅微粒加熱氧化后，形成高比表面積的納米多孔水合氧化硅或納米多孔氧化硅微粒材料，可作為于高效吸附或過濾材料使用。納米多孔硅微粒，與包括石墨烯的碳材料或包括錫、鈦材料的金屬材料復合，形成高容量和納米多孔硅碳或硅金屬復合材料，可用于高容量二次電池包括鋰離子和鈉離子電池的負極電極材料或儲能超級電容的電極材料的制備。本發明因采用了工業化規模生產高純硅片所產生的硅微粒材料，經本發明的微細金剛石線切割研磨生產工藝改進和廢液分離提純技術，可做到廢水的循環利用，同時使得硅微粒可資源化利用。通過本發明可大幅降低半導體硅片或太陽能光伏硅片的生產成本，同時可低成本規模化生產高純亞微米級的水合硅和硅微粒材料，并拓展了硅微粒的功能化應用。通過本發明的技術應用，可有效促進半導體工業和太陽能光伏發電產業的發展，特別是加速了高效率的單晶硅太陽能光伏技術作為可再生能源的加速應用和普及，為人類社會的信息和能源產業結構調整起到積極的推動作用。