冶金法制备太阳能级多晶硅工艺研究

摘要

近年来，全球能源的日益紧张导致可再生能源的快速发展，其中光伏产业发展尤为迅速，导致了太阳能电池原料——多晶硅的严重短缺，这个问题严重制约着我国光伏产业的发展，目前国内许多太阳能电池厂家处于半停产状态，无原料可生产，另一方面我国多晶硅原料几乎全部靠进口，国外厂家哄抬原料价格，使多晶硅的价格一路攀升至300美元/公斤，导致国内生产厂家只能赚取微薄的加工利润。 太阳能级多晶硅制备的主流技术有改良西门子技术和硅烷法，但都被国外厂家垄断，他们既不合资也不合作，导致我国原料生产这块严重受制于人，到目前为止其核心技术我国仍然没有完全掌握。发展新的太阳能级多晶硅制备工艺是解决我国多晶硅产业问题的唯一出路，冶金法制备太阳能级多晶硅具有成本低、污染小等优点，但存在工艺不成熟等问题，因此开发良好的熔炼工艺具有重要意义。 本研究采用自行设计的真空熔炼炉、电子束熔炼炉对工业硅进行提纯探究，研究不同的真空状态、保温时间、熔炼功率等熔炼参数对各种杂质元素的去除效果的影响，通过以上研究主要获得以下主要结果： 真空熔炼对工业硅中的Ca、Al、P有很好的去除效果，但杂质元素在硅锭上分布不均匀，中间部位成分较好，熔炼保温温度越高、保温时间越长对杂质的去除效果越好，采用Ar气保护有利于杂质元素的去除，而且可以减少硅料的挥发，但不利于保温，增加能耗。通过适当的工艺可以将杂质元素P的含量降低至3ppm，将Ca元素的含量降低至1ppm以下； 电子束熔炼熔炼后金属杂质在硅锭上分布不均匀，会向表面聚集，非金属元素分布十分均匀，不存在偏析等现象。电子束熔炼对杂质元素Fe的去除效臬不明显，但对Ca、Al、P、B都有很好的效果，增大熔炼功率、增加熔炼时间有利于杂质元素的去除，同时适当的工艺可以将Ca、P、B三种杂质元素降低至1ppm以下，达到太阳能级硅料的要求； 通过这些研究表明真空熔炼以及电子束熔炼是提纯硅材料的有效方法，采用合适的工艺可以获得良好的效果，再辅助以定向凝固可以将金属杂质进一步去除，满足太阳能级硅材料的要求。

目录

文摘

英文文摘

声明

1引言

1.1立题背景

1.2太阳能电池

1.2.1太阳能电池发电原理

1.2.2太阳能电池种类

1.2.3多(单)晶硅太阳能电池制作流程

1.3硅材料主要制备方法

1.3.1工业硅生产工艺

1.3.2高纯多晶硅传统生产工艺

1.3.3高纯多晶硅新生产工艺

1.4本论文研究的主要目的及内容

2真空熔炼制备多晶硅

2.1真空熔炼实验理论分析

2.1.1真空熔炼热力学

2.1.2真空熔炼动力学

2.1.3硅中挥发性元素的蒸发理论分析

2.2真空熔炼实验

2.2.1实验设备

2.2.2实验步骤

2.3实验结果分析与讨论

2.3.1真空熔炼后不同部位杂质分布情况

2.3.2保温时间对杂质去除效果的影响

2.3.3保温气压对杂质去除效果的影响

2.3.4保温温度对杂质去除效果的影响

2.4本章小结

3电子束熔炼制备多晶硅

3.1电子束熔炼产业的发展

3.1.1电子束熔炼背景

3.1.2电子束熔炼优缺点

3.1.3电子束熔炼提纯基本原理

3.2电子束熔炼实验

3.2.1电子束熔炼炉介绍

3.2.2电子束熔炼实验步骤

3.2.3电子束熔炼实验参数及结果

3.3实验结果分析及讨论

3.3.1试样的选取

3.3.2电子束熔炼后硅锭杂质分布

3.3.3熔炼功率对杂质去除效果的影响

3.3.4熔炼时间对杂质去除效果的影响

3.4本章小结

4显微组织分析

4.1硅料腐蚀机理

4.2显微组织观察

4.3显微组织与杂质元素的去除关系分析

4.4本章小结

5全文总结及展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢