摘 要：在太陽能級多晶硅生產(chǎn)工藝中,才用冶金凈化法去除硼、磷等雜質(zhì)的方法消耗的能量較大,而金屬熔析凈化法能夠有效的實(shí)現(xiàn)冶金硅在金屬液環(huán)境下低溫熔化,然后結(jié)晶凈化,是一種能耗較低的去除硼、磷的方法。本文主要針對熔析體系選擇原則進(jìn)行分析,對錫、鋁等金屬作為熔析介質(zhì)進(jìn)行篩選,對于Sn-Si體系,在1500K時(shí)的硼分凝系數(shù)為0.038,小于純硅熔點(diǎn)0.8。硼的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在冶金硅二次熔析凈化處理時(shí)可以由15×10-6降至0.1×10-6,一般情況下,其它雜質(zhì)都可以一次性去除到0.1×10-6以下。在凈化的過程中,硅與雜質(zhì)生成的化合物是去除雜質(zhì)的主要方法,本文主要針對金屬熔析凈化法作為基礎(chǔ)的低溫凈化冶金硅的工藝進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：低溫,金屬熔析凈化法,太陽能級硅,冶金硅,工藝

隨著光伏產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展,太陽能電池被稱為太陽能級硅,目前太陽能電池的主要原料出現(xiàn)嚴(yán)重的不足,在冶金過程中,對太陽能級硅的這一新技術(shù)的研究是具有重要意義的。近年來,一些太陽能電池通過試驗(yàn)研究出來,并開始銷售,但是很多用于冶金過程的方法,如真空精煉、結(jié)渣精煉及等離子體處理的時(shí)間都比較長,且溫度較高。所以,研究一種低成本的冶金技術(shù)是大勢所趨。冶金的過程實(shí)際上是對硅進(jìn)行有序凈化的過程,是一步一步對雜質(zhì)進(jìn)行去除的過程。因?yàn)殡s質(zhì)有自身的特性,沒有一種方法能夠去除所有的雜質(zhì),所以,不管是何種工藝,都是不同的方法組合在一起。本文主要在低溫冶金過程的基礎(chǔ)上提出了在金屬熔析凈化法。

1 金屬熔液系統(tǒng)的選擇

在硅金屬溶液中,固體溶解雜質(zhì)如果要在低溫條件下迅速的去除,首要條件是硅鎂必須要熔化,通過金屬熔析法能夠簡單的實(shí)現(xiàn)降硅溶解到熔融金屬,主要是以為內(nèi)硅鎂的熔點(diǎn)比硅要低很多。合金溶液在冷卻以后,金屬液中存在結(jié)晶硅與雜質(zhì),通過金屬熔析凈化方法,可以將結(jié)晶硅從金屬液中分離出來。該方法關(guān)鍵在于硅接近通過低溫處理后得到凈化硅,實(shí)現(xiàn)了硅鎂在低溫環(huán)境下節(jié)能凈化,盡管很多金屬在低溫下會(huì)溶解硅,只有部分是針對液化的金屬媒介,在這部分金屬溶液的選擇時(shí),依據(jù)以下標(biāo)準(zhǔn)。

1.1 沒有中間化合物生成。如果中間化合物的培養(yǎng)基與硅中夾帶有金屬,會(huì)造成嚴(yán)重的影響。除此以外,所夾帶的金屬也會(huì)使硅的分離更加困難,分離時(shí)也會(huì)造成嚴(yán)重的夾帶金屬損失。

1.2 在共晶點(diǎn)低濃度和低溫度。在共晶點(diǎn),硅與金屬的共結(jié)晶。一般情況下,硅的共晶點(diǎn)存在于具有均勻的顯微組織金屬硅和二元合金系統(tǒng)中,很難分開,也導(dǎo)致硅的損失比較嚴(yán)重。除此以外,如果共晶點(diǎn)的溫度比較高,就會(huì)導(dǎo)致大量的硅出現(xiàn)溶解廚衛(wèi)金屬液。所以,降低共晶點(diǎn)的溫度是節(jié)能凈化過程的必然選擇。

1.3 雜質(zhì)分凝系數(shù)小。在硅和金屬之間,如果硅結(jié)晶的介質(zhì)中含有雜質(zhì),就會(huì)使得硅晶體和金屬液之間的偏析系數(shù)重新分配,金屬雜質(zhì)會(huì)使純化的過程和凈化的效率提高。

1.4 硅在低溫下的高溶解度。在整個(gè)熔融的過程中,鎂和硅先溶解,在低溫環(huán)境下再結(jié)晶后的金屬液,硅的溶解度比較高,高溶解度的硅能夠使系統(tǒng)的處理能力變強(qiáng)。

1.5 硅晶體容易從金屬液中分離出來。硅和介質(zhì)之間的特性是非常明顯存在的,例如密度,能使硅與介質(zhì)進(jìn)行分離的時(shí)候降低浪費(fèi),諸如結(jié)晶硅的粒子比較大,金屬的粘度比較小等特征,能夠降低在分離過程中的夾帶浪費(fèi)。

2 凈化效率

2.1 雜質(zhì)分凝系數(shù)計(jì)算。采用這種方法時(shí),對其凈化效率其決定性因素的是硅和介質(zhì)間的雜質(zhì)的偏析系數(shù),即硅結(jié)晶與熔融金屬。在這個(gè)項(xiàng)目的研究中,利用FactSage軟件對偏析系數(shù)進(jìn)行計(jì)算。該軟件的數(shù)據(jù)庫給出了二元體系的熱力學(xué)數(shù)據(jù),但三元系統(tǒng)的數(shù)據(jù)沒有給出。在計(jì)算的過程中,三元系統(tǒng)是以二元體系為基礎(chǔ)的,是在二元體系上擴(kuò)展而來的。但是,數(shù)據(jù)庫中的主要數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,只有一部分元素在晶體硅中是可溶的,例如錫、鈦、鋅、硼、碳、氮、鍺等。也就是說,只有這部分元素的偏析系數(shù)可以直接通過該軟件計(jì)算得到。

2.2 雜質(zhì)之間中間化合物的生成。在對冶金硅進(jìn)行凈化的過程中,硅在低溫凝固的過程中降低其凝固點(diǎn),使雜質(zhì)偏聚于臨界結(jié)晶點(diǎn)。凝固的方式是單相的,雜質(zhì)會(huì)沿著凝固方向的一側(cè)偏析,這種方法就是分離的方法。在凝固過程中,在硅的結(jié)晶點(diǎn)如果不能形成化合物,或者只可能在晶界處形成化合物,主要是由于雜質(zhì)含量高、凝固點(diǎn)過低影響的。 但是,隨著金屬熔融過程中金屬液中硅的結(jié)晶,液體中會(huì)留下雜質(zhì),按照分離系數(shù),如果金屬液的流動(dòng)性比較好,對雜質(zhì)的轉(zhuǎn)移是有利的。因?yàn)榇蟛糠蛛s質(zhì)在硅形成的化合物中,溶解的溫度也比較低,在合金中能夠冷卻去除。

2.3 金屬熔析法凈化效率。通過試驗(yàn)顯示,Sn金屬熔硅在去除金屬雜質(zhì)的效率方面顯得尤為突出,特別是對Ni、Cu、等金屬雜質(zhì)的去除效率上達(dá)到99.9%,雜質(zhì)殘留的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.1×10-6,在雜質(zhì)中Fe和Al通常是含量比較高的雜質(zhì),去除效率可以達(dá)到99%,對Cr、Mn及Ti等金屬雜質(zhì)采取二次除塵后,去除的效率可以達(dá)到99.9%。但是,在金屬熔析中,真正關(guān)心的是硼和磷的去除效率。根據(jù)去除效果顯示,如果硼的去除效率達(dá)到85%,那么在二次除塵以后,去除的效率可以達(dá)到99.9%,硼的質(zhì)量分?jǐn)?shù)從15.4×10-6降低到低于0.1×10-6,對于磷而言,熔融處理的去除效率達(dá)到60%,進(jìn)行二次除塵后,去除效率可以達(dá)到80%。

3 結(jié)束語

金屬熔析凈化法的采用實(shí)現(xiàn)了節(jié)能的目的,本文主要針對低溫冶金過程中金屬熔析凈化法工藝的運(yùn)用進(jìn)行簡單的分析。

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