三层液熔盐电解制备太阳级硅用氟化物电解质熔体预电解净化

摘要

低成本、低能耗太阳级硅制备技术是降低太阳电池成本的有效途径，有利于促进光伏产业的发展。基于“三层液熔盐电解精炼”的太阳级硅制备方法有望解决电解过程电流密度小、沉积速度慢，电压波动严重等问题而受到广泛关注。电解质的预电解净化是该方法成功的基础。 论文以实现三层液熔盐电解精炼用氟化物电解质净化为目标，计算了氟化物熔体中各元素的电极电位，研究了不同电解槽结构下，预电解工艺参数（电解时间、温度、电流密度等）对电解质中杂质浓度变化的影响规律，并在此基础上，研究了电解质预电解对精炼硅产物纯度的影响。获得了如下主要研究结果： （1）氟化物熔体元素电极电位计算结果表明，以Na为零标电极时，碱金属和碱土金属较负（≤0V），在电解过程中难以沉积；重金属以及P的电极电位较正（≥2 V），在电解过程中会优先析出。在电解质中，后者存在极限浓度，P在1000K时的极限浓度为1.57×10-30。通过预电解可以将这些杂质降低到其极限浓度。 （2）在一定范围内，升高温度有利于除去电解质中的杂质，但电解温度越高，电解质的挥发也越严重。972℃下进行预电解时，杂质的去除率都只比952℃下进行预电解时杂质去除率提高了不到2.4％。说明当温度达到952℃后，继续升高温度并不能明显提高除杂的效果。由此，确定预电解温度为952℃。 （3）大电流密度下的反应速度更快，但会加剧电解质的损耗。50 mA/c㎡的电流密度下进行预电解时，杂质的去除率都只比20mA/c㎡时提高了不到4.1％。说明当电流密度达到20mA/c㎡时，继续增大电流密度并不能明显提高除杂的效果。由此，确定952℃时预电解电流密度为20 mA/c㎡。 （4）预电解时间越长，除杂的效果越好，但电解时间过长会加剧电解质的挥发。952℃在20 mA/c㎡的电流密度下，对电解质进行3小时预电解后，电解质中杂质浓度与电解精炼后的浓度相近。由此，确定952℃在20 mA/c㎡电流密度下预电解时间为3小时。 （5）“冶金硅三层液熔盐电解精炼”实验证实，氟化物熔盐电解质的预电解净化可有效提高精炼硅的纯度。在三种预电解槽型中，“直接预电解”提高效果最不明显，“正向预电解”提高效果最大。采用普通电解质电解精炼所得Si中B含量为5.8×11-6，P含量为33.4×10-6，Fe含量为580.8×10-6；而采用“正向预电解”后氟化物为电解质电解精炼所得Si中B含量为3.2×10-6，P含量为24.1×10-6，Fe含量为62×10-6。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章文献综述

1.1光伏产业概况

1.2太阳级硅制备新方法

1.2.1由冶金级硅提纯制备太阳级硅

1.2.2由高纯原料制备太阳级硅

1.2.3熔盐电解法制备太阳级硅

1.3熔盐电解制备太阳级硅研究进展

1.3.1 SiO2直接熔盐电解制备太阳级硅

1.3.2氟硅酸盐直接熔盐电解制备太阳级硅

1.3.3 SiO2阴极脱氧还原制备太阳级硅

1.3.4冶金硅熔盐电解精炼

1.4三层液熔盐电解制备太阳级硅对电解质的要求及其净化

1.4.1三层液熔盐电解制备太阳级硅对电解质的要求

1.4.2熔盐净化

1.5论文选题目的、意义及研究内容与方案

1.5.1论文选题目的和意义

1.5.2论文研究内容与方案

第二章氟化物电解质熔体中电极电位计算

2.1引言

2.2氟化物电解质熔体中电极电位的计算

2.2.1氟化物熔盐电解质分解电压的计算

2.2.2氟化物熔盐电解质中不同浓度元素电极电位计算

2.3本章小结

第三章含硅氟化物电解质熔体直接预电解

3.1引言

3.2实验

3.2.1实验原料

3.2.2实验过程

3.2.3分析与检测

3.3结果与讨论

3.3.1预电解过程槽电压变化及电解产物分析

3.3.2电解温度对电解质中杂质浓度变化的影响

3.3.3电流密度对电解质中杂质浓度变化的影响

3.3.4电解质中杂质浓度随预电解时间的变化

3.4本章小结

第四章含硅氟化物电解质熔体反向和正向预电解

4.1引言

4.2实验

4.2.1实验原料

4.2.2实验过程

4.2.3分析与检测

4.3结果与讨论

4.3.1预电解过程槽电压变化及电解产物形貌

4.3.2电解温度对电解质中杂质浓度变化的影响

4.3.3电流密度对电解质中杂质浓度变化的影响

4.3.4电解质中杂质浓度随预电解时间的变化

4.4本章小结

第五章预电解对冶金硅三层液电解精炼效果的影响

5.1引言

5.2实验

5.2.1实验原料

5.2.2实验过程

5.2.3分析与检测

5.3结果与讨论

5.3.1电解精炼过程槽电压的变化

5.3.2电解精炼产物的形貌

5.3.3高纯硅纯度分析

5.4本章小结

第六章结论

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的论文