硅铝锌三元合金精炼去除多晶硅中B杂质研究

摘要

环境的急剧恶化与世界人口的持续增长，导致对能源的需求加大。太阳能清洁无污染，蕴藏的能量巨大，具有非常好的发展前景。近十年来，光伏产业迅猛发展，导致廉价太阳能级多晶硅的短缺。为了满足光伏产业发展的需要，一种低成本，低能耗，低污染生产太阳能级硅的方法-冶金法，应运而生。
　　冶金法制备太阳能级多晶硅是针对冶金硅中杂质的不同性质，使用不同工艺逐步去除杂质的方法。金属杂质和非金属杂质P分别可以通过定向凝固和电子束熔炼去除，但是依然没有找到一种高效低能去除B杂质的方法。合金精炼由于其较低的熔炼温度和较高的提纯效率，为廉价去除冶金硅中的B杂质提供了一种可能性。
　　为了克服Si-Al二元合金的缺点，本论文在Si-Al二元合金的基础上，加入金属Zn，对Si-Al-Zn三元合金精炼去除B杂质进行了研究。通过改变Zn的原子百分比，冷却速率等方式改变初晶硅的形貌，从形貌上对B杂质的去除效果进行分析;还研究了精炼过程淬火温度和凝固后期的降温速率对B杂质去除率的影响。得到如下结论:
　　(1)金属Zn的添加可以改变Si-Al合金中初晶硅的宏观与微观形貌，从而对B杂质去除效果产生影响。宏观上，在Si-Al合金中初晶硅主要以细针状的形式存在，加入不同原子量的Zn后，初晶硅形状变得不规则，长度变短，宽度变宽。微观上，初晶硅中包裹的二元与三元共晶的量，随着金属Zn添加量的加大，逐渐增多。因此导致B杂质的精炼比逐渐增加，在添加30at％Zn时，分凝比达到0.41;同时B杂质的去除效果显著降低。
　　(2)初晶硅的理论回收率和实际回收率都随着Zn含量的增加而增大，但是实际回收率要比理论回收率低6-10％。
　　(3)900-600℃温度范围内，随着冷却速率的减小，B杂质含量逐渐降低，B杂质去除率逐渐增大。在冷却速率为3℃/min时，B杂质含量降低到了1.3ppmw，去除率达到91.2％。600-20℃温度范围内，冷却速率越大，B杂质含量越少，去除率越高。淬火的B杂质去除效果最好，B含量降至1.4ppmw，去除率达到90.5％。
　　(4)在相同的初始温度和冷却速率条件下，高于二元共晶温度淬火，随着淬火温度的降低，B杂质的含量逐渐降低，去除率逐渐升高;低于二元共晶温度淬火，随淬火温度的降低，B杂质含量反而略有升高，去除率略有下降。因此应尽量在略高于二元共晶温度时淬火，才能达到最佳的提纯效果。