电热法制高纯硅及其炉外精炼的研究

论文摘要

随着全球传统能源的日益枯竭和环境污染问题的日益严重,世界各国纷纷发展新能源,其中太阳能因其分布广泛、资源丰富、清洁无污染等优点,被认为是21世纪最重要的新能源。在世界各国政策的积极扶持下,太阳能光伏产业迅速发展,使得对太阳能级多晶硅的需求大增。由于目前制备多晶硅的主要方法西门子法存在着能耗高、成本高,严重地制约了光伏产业的发展,因此研究低成本的太阳能级多晶硅的制备方法具有重要意义。现在多晶硅的主流技术改良西门子法主要掌握在美、日、德等国手中,他们对该行业形成了技术封锁、市场垄断。我国没有掌握改良西门子法的核心技术,多晶硅主要依赖于进口。在太阳能级晶体硅的切片过程中,约50wt%的晶体硅被切磨成高纯硅粉成为了切割废料。如能将废料中的高纯硅粉加以回收并作为制备太阳能级晶体硅的原料,这对缓解我国太阳能级晶体硅的紧缺、减少晶体硅的进口具有重要意义,而且还能够减少切割粉带来的环境污染,提高了资源利用率。本文首先以太阳能级多晶硅切割废料的硅富集料为原料,用电热法制备高纯硅,再对高纯硅进行炉外精炼,为制备太阳能级多晶硅奠定基础。本文主要研究内容包括：切割废料的物性研究；硅富集料的酸洗除杂；硅富集料电热法制备高纯硅；炉外精炼除杂的研究。获得的主要结果如下：(1)切割废料的物性研究：通过XRD、XRF、化学定量分析、粒度分析等对切割废料物性进行了研究,结果表明：切割废料中含硅30.50wt%,碳化硅34.90wt%,水和聚乙二醇26.63wt%,铁及其氧化物5.36wt%,其他2.61wt%,粒度主要集中在1.0～23.8μm范围内。(2)硅富集料的酸洗除杂：考察了浸出时间、浸出温度、盐酸浓度等因素对硅富集料中铁浸出率的影响。通过正交实验得到了酸洗除杂的最佳工艺条件,浸出时间为3h,浸出温度为70℃,浸出液浓度为15wt%,搅拌速度为150r/min,液固比为4：1,在此条件下铁浸出率可达97.00wt%,硅富集料中的铁含量由6.84wt%降低到了0.22wt%。(3)硅富集料电热法制备高纯硅：将从切割废料中获得的硅富集料进行电弧熔炼,获得了高纯硅。通过XRD、XRF、SEM等方法对产物的进行检测,结果表明：产物硅沉积在坩埚底部,组织致密,产物的主要相是硅,其中Fe、Al、B、P等杂质含量很低,杂质Fe、Al主要分布在晶界处。(4)向熔融硅中通入高纯Ar对除硼不显著,对除磷有一定效果,对硼、磷的脱除率分别为4%、29%；通入高纯Ar和20℃水蒸汽的混合气体对硼、磷的脱除有一定效果,在通气时间为150min时,硼、磷含量均达到最低,硼磷的脱除率分别为53%、43%；通入高纯Ar和90℃水蒸汽的混合气体的后,对硼、磷的脱除显著,硼磷去除率分别为72%、69%。通过这些研究表明将酸洗除杂后的硅富集料采用电热法可制备出硼、磷含量很低的高纯硅,然后通过炉外精炼可降低硼、磷含量,实验结果证明此工艺是可行的,将来如果再辅助以真空精炼、定向凝固等工艺就可以将硅的纯度进一步提高,从而达到太阳能级多晶硅的纯度要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 太阳能电池
• 1.2.1 太阳能电池的发电原理
• 1.2.2 太阳能电池的分类
• 1.3 太阳能级晶体硅材料的制备方法
• 1.3.1 太阳能级多晶硅传统制备方法
• 1.3.2 太阳能级多晶硅制备新工艺发展
• 1.3.3 冶金法制备太阳能级多晶硅
• 1.4 太阳能电池硅片切割和切割废料的产生
• 1.4.1 晶体硅片的制造工艺
• 1.4.2 太阳能级晶体硅切割废料的产生
• 1.4.3 国内外对切割废料的回收情况
• 1.5 研究的目的和意义
• 1.6 主要研究内容
• 第2章 切割废料的物性研究
• 2.1 引言
• 2.2 切割废料的物相研究
• 2.3 切割废料的化学组成
• 2.4 切割废料的主要成分及含量
• 2.5 切割废料的粒度分布
• 2.6 切割废料主要成分的物理化学性质
• 2.7 本章小结
• 第3章 硅富集料的酸洗除杂
• 3.1 引言
• 3.2 实验试剂及其设备
• 3.3 实验原理
• 3.4 实验方法
• 3.5 结果与分析
• 3.5.1 浸出温度对铁及其氧化物浸出率的影响
• 3.5.2 浸出时间对铁及其氧化物浸出率的影响
• 3.5.3 盐酸浓度对铁及其氧化物浸出率的影响
• 3.5.4 液固比对铁及其氧化物浸出率的影响
• 3.5.5 搅拌因素对铁及其氧化物浸出率的影响
• 3.5.6 正交实验
• 3.5.7 验证实验
• 3.6 本章小结
• 第4章 硅富集料电热法制备高纯硅
• 4.1 引言
• 4.2 实验原料及设备
• 4.2.1 实验原料
• 4.2.2 实验设备
• 4.3 实验原理
• 4.4 实验方法
• 4.4.1 配料计算
• 4.4.2 压制球团
• 4.4.3 矿热炉的准备
• 4.4.4 电弧冶炼
• 4.5 实验结果与分析
• 4.5.1 实验产物的外貌分析
• 4.5.2 实验产物的物相分析
• 4.5.3 实验产物的荧光光谱（XRF）分析
• 4.5.4 实验产物的组织形貌分析
• 4.6 本章小结
• 第5章 通气精炼除杂的研究
• 5.1 引言
• 5.2 实验原料及其设备
• 5.2.1 实验原料
• 5.2.2 实验设备
• 5.3 实验原理
• 5.3.1 感应熔炼原理
• 5.3.2 通气精炼
• 5.4 实验方法
• 5.4.1 通入高纯Ar精炼
• 5.4.2 通入高纯Ar和20℃水蒸汽的混合气体精炼
• 5.4.3 通入高纯Ar和90℃水蒸汽的混合气体精炼
• 5.5 实验结果与分析
• 5.5.1 通入高纯Ar精炼的除杂效果
• 5.5.2 通入高纯Ar和20℃水蒸汽的混合气体精炼的除杂效果
• 5.5.3 通入高纯Ar和90℃水蒸汽的混合气体精炼的除杂效果
• 5.6 本章小结
• 第6章 结论
• 参考文献
• 致谢