冶金法去除工业硅中杂质的研究

论文摘要

传统能源的逐渐消耗和环境的污染问题,让人们意识到新能源开发与利用的重要性。光伏能源具有清洁环保、安全便捷、资源充足等优点,被认为是21世纪最重要的新能源。在世界各国的政策扶持下,光伏产业得到了迅速发展,然而作为光伏产业基石的太阳能级硅材料出现供不应求的局面,成为光伏产业发展的瓶颈。与传统的改良西门子法和硅烷法等化学方法相比,冶金法制备太阳能级多晶硅具有成本低、能耗小等优点,它是一种有效降低生产成本、专门定位于太阳能级多晶硅的生产方法,可以满足光伏产业的迅速发展。本文制定了冶金法提纯工业硅的工艺路线,并利用自行设计的酸洗设备、真空感应熔炼与定向凝固炉和电子束熔炼与定向凝固炉对工业硅进行了中试规模的提纯研究。首先确定了单种酸洗条件下的酸洗参数,并提出超声波作用下的酸洗工艺,酸洗后金属杂质的总去除率可达88.9%。采用热交换和Bridgman相结合的定向凝固方法制备了柱状晶组织粗大的多晶硅铸锭,分析并计算了铸锭中金属杂质的含量分布;降低拉锭速度和水冷底座的冷却强度有助于定向凝固去除金属杂质。电子束熔炼对工业硅中P、Al、Ca、Mn、Zn等高蒸气压杂质的去除有显著的效果,研究了熔池中杂质的分布和去除规律。通过上述工艺路线提纯后,多晶硅铸锭中局部位置Al杂质的含量可由2710ppmw降低到0.4ppmw,Fe杂质的含量可由2340ppmw降低到＜0.1ppmw,Ca杂质的含量可由576ppmw降低到＜0.1ppmw,Ti杂质的含量可由198ppmw降低到＜0.1ppmw,Mn杂质的含量可由125ppmw降低到＜0.1ppmw,Cu杂质的含量可由27ppmw降低到＜0.1ppmw,Zn杂质的含量可由0.6ppmw降低到＜0.1ppmw,P杂质的含量可由26ppmw降低到1.5ppmw,基本满足太阳能级硅材料的要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 立题背景
• 1.1.1 未来能源的取向——光伏能源
• 1.1.2 光伏产业的基石——太阳能级硅
• 1.1.3 光伏产业发展的瓶颈——原料供不应求
• 1.2 太阳能电池硅锭生产技术
• 1.2.1 切克劳斯基法
• 1.2.2 区熔法
• 1.2.3 热交换法和布里曼法
• 1.2.4 电磁连铸法
• 1.2.5 单晶和多晶硅锭的生长方法比较
• 1.3 太阳能级硅提纯技术
• 1.3.1 化学法生产太阳能级硅技术
• 1.3.2 冶金法制备太阳能级硅技术
• 1.3.3 冶金法和化学法成本比较
• 1.4 本文研究目的及内容
• 2 实验方案
• 2.1 实验原料
• 2.2 实验工艺
• 2.3 实验设备
• 3 冶金级硅酸洗预处理
• 3.1 酸洗原理
• 3.2 酸洗工艺参数的确定
• 3.2.1 硅颗粒度的确定
• 3.2.2 用酸种类的确定
• 3.2.3 用酸浓度的确定
• 3.2.4 酸洗温度的确定
• 3.2.5 酸洗时间的确定
• 3.2.6 超声波对酸洗的影响
• 3.3 工业硅酸洗实验
• 4 真空感应熔炼与第一次定向凝固
• 4.1 实验步骤
• 4.2 实验结果与分析
• 4.2.1 定向凝固铸锭中的气孔
• 4.2.2 定向凝固铸锭组织形貌
• 4.2.3 定向凝固铸锭金属杂质的分布
• 4.2.4 冷却水流量和拉坯速度对金属杂质去除的影响
• 5 电子束熔炼与第二次定向凝固
• 5.1 电子束熔炼操作
• 5.2 电子束熔炼工艺的探索
• 5.2.1 硅中杂质的蒸气压
• 5.2.2 电子束熔炼温度的估计
• 5.2.3 精炼时间对P、Al、Ca去除的影响
• 5.2.4 电子束熔炼制备饼锭的分析
• 5.3 第一次定向凝固后铸锭的电子束熔炼
• 5.3.1 竖直方向上杂质含量的变化
• 5.3.2 水平方向上杂质含量的变化
• 5.4 第二次定向凝固
• 5.4.1 第二次凝固后的铸锭
• 5.4.2 第二次凝固后铸锭的纯度分析
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢