造渣及真空精炼对工业硅中关键杂质的影响规律研究

摘要

造渣精炼和真空熔炼作为冶金法提纯太阳能级多晶硅的基本工艺，是去除工业硅中磷硼杂质和主要金属杂质的有效方法。由于磷硼杂质的化学特性不同，单个工艺不能同时有效地去除磷和硼。因此，必须将两种工艺加以组合优化以达到太阳能级多晶硅对关键杂质的纯度要求。
　　本论文将造渣精炼和真空熔炼两种提纯工艺进行组合优化，分析了组合工艺对多晶硅中杂质（尤其是杂质磷元素）去除效果的影响，研究了造渣精炼对真空挥发除磷工艺的影响规律，同时探讨了造渣精炼后主要杂质的赋存分布规律，并且结合理论分析了杂质磷在两种工艺过程中的变化规律和影响因素，通过工艺改进提高了除磷效果。其主要研究结果如下:
　　1、“造渣—真空”工艺更有利于工业硅中磷等杂质的去除。同时在采用CaO-SiO2、CaO-SiO2-CaF2、CaO-SiO2-MgO、CaO-SiO2-BaO、CaO-SiO2-Al2O3和CaO-SiO2-CaCl2六种渣系进行“造渣—真空”工艺后，得到了各不相同的除磷效果，其中采用CaO-SiO2-CaCl2渣系的除磷效果最好，杂质磷的去除率可达96.60％。
　　2、渣系CaO/SiO2比对组合工艺的除磷效果影响较大。采用CaO-SiO2-CaCl2渣系进行“造渣—真空”提纯时，硅中磷含量与CaO/SiO2比呈近似的线性关系，渣系CaO/SiO2比为0.8时除磷效果最好，随着CaO/SiO2比的增加，杂质磷的去除效果越来越差。
　　3、通过实验与理论相结合发现:采用CaO-SiO2-CaCl2渣系进行造渣精炼，磷主要通过与渣中的氧化钙发生反应生成Ca3P2进入渣中去除。在真空熔炼过程中，由于杂质钙元素降低了硅熔体中磷的活度从而降低了真空除磷的效果。另外，造渣后进行酸洗可以提高造渣硅料的真空除磷效果。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 太阳能

1．2．1 太阳能源及利用

1．2．2 太阳能光伏

1．2．3 太阳能光伏的发展历史、现状与前景

1．3 硅的特性及太阳能级多晶硅杂质的相关标准

1．3．1 硅的特点及其物理化学性质

1．3．2 太阳能级多晶硅的标准

1．4 太阳能级多晶硅的提纯技术简介

1．4．1 化学法

1．4．2 冶金法

1．4．3 化学法和冶金法工艺对比

1．5 真空熔炼和造渣精炼除杂工艺

1．5．1 真空熔炼除P工艺

1．5．2 造渣精炼除B工艺

1．6 本论文的研究目的与内容

第二章 造渣精炼和真空熔炼理论基础

2．1 造渣精炼理论基础

2．1．1 造渣剂及其物理化学性质

2．1．2 造渣理论研究

2．1．3 造渣氧化精炼的理论模型

2．2 真空熔炼理论基础

2．2．1 真空熔炼热力学

2．2．2 真空熔炼动力学

2．2．3 真空熔炼动力学模型

2．3 本章小结

第三章 实验方案及研究方法

3．1 实验方案

3．1．1 研究思路

3．1．2 渣系选择

3．2 实验原材料

3．3 实验仪器设备

3．4 实验过程

3．4．1 造渣精炼实验过程

3．4．2 真空挥发除磷实验过程

3．5 实验分析方法

3．5．1 杂质含量分析

3．5．2 电子探针分析

3．5．3 X射线衍射分析

第四章 造渣精炼对真空除磷的影响规律研究

4．1 不同工艺次序对杂质去除效果的影响

4．1．1 不同工艺次序对真空除磷效果的影响

4．1．2 不同工艺次序对其他杂质去除效果的影响

4．2 造渣精炼对真空除磷效果的影响

4．2．1 不同渣系对真空除磷效果的影响

4．2．2 渣系中CaO／SiO2对真空除磷效果的影响

4．2．3 渣系中CaCl2含量对真空除磷效果的影响

4．3 本章小结

第五章 造渣精炼对硅中杂质赋存分布规律的影响研究

5．1 渣样分析

5．1．1 铸锭宏观分析

5．1．2 渣样物相分析

5．2 造渣精炼对硅中杂质分布的影响

5．2．1 工业硅中杂质的分布特点

5．2．2 造渣精炼后硅中杂质的分布特点

5．2．3 造渣精炼对硅中杂质元素分布的影响

5．3 造渣精炼对硅中杂质存在形态的影响

5．3．1 工业硅中杂质的存在形态

5．3．2 不同渣系造渣后硅中杂质的存在形态

5．3．3 CaO-SiO2-CaCl2渣系造渣后硅中杂质的存在形态

5．4 本章小结

第六章 工艺改进对除磷效果的影响规律研究

6．1 造渣精炼对杂质磷元素的影响

6．2 工艺改进后的除磷效果

6．3 本章小结

第七章 结论与展望

7．1 结论

7．2 展望与建议

参考文献

硕士期间研究成果

致谢