颗粒多晶硅气泡强化脱氢机理与方法

摘要

针对颗粒硅中氢含量高、难去除、危害大的问题,采用水模型与高温熔炼实验,开展了吹气熔炼过程气泡强化脱氢机理研究。通过硅熔体高温熔炼脱氢实验对硅熔体脱氢动力学进行了分析,发现无吹气脱氢过程符合1.5级动力学模型,证实了脱氢受限于液相中的传质与气液界面处的反应速率,这可为气泡强化脱氢提供理论基础。通过水模型实验开展了气泡行为对强化除气机制的研究。结果表明:气泡直径和容量传质系数随着通气流量的增加而上升,随着通气量从0.25 L/min增加到1.25 L/min,气泡直径从1.75 cm上升到1.93 cm,容量传质系数从0.135上升到0.337;气泡直径随着吹气管孔径的增加而上升,而容量传质系数则随着吹气管孔径的增加而下降,随着吹气管孔径从3 mm增加到5 mm,气泡直径从1.92 cm上升到2.21 cm,容量传质系数从0.337下降到0.302;随着吹气管通气管根数的上升,单根吹气管产生的气泡直径和容量传质系数则随之下降,随着吹气管根数从1根增加到5根,气泡直径从1.46 cm下降到1.23 cm,容量传质系数从0.135增加到0.169,而吹气管孔距小于气泡直径时,气泡会发生合并,导致容量传质系数下降。基于水模型气泡行为调控方法,开展了硅熔体高温气泡强化脱氢研究。结果表明:随着通气流量的上升,除氢率也随之上升,随着通气量从0.25 L/min上升到1 L/min,除氢率从61.41%上升到71.41%;随着吹气管孔径的上升,除氢率则随之下降,随着吹气管孔径从3 mm增加到5 mm,除氢率从71.15%下降到68.97%;随着吹气管根数的上升,除氢率随之上升,随着吹气管根数从1根增加到5根,除氢率从71.15%上升到76.35%;当吹气管孔距大于4 cm时,除氢率保持在76.35%左右,孔距小于4 cm时,除氢率保持在72.94%左右,最终能够将氢含量去除到4.5×10^(-6)左右,这证明了气泡强化脱氢方法可以实现颗粒多晶硅中痕量氢的深度去除,从而满足太阳能级多晶硅的要求。