PDF《Si-Cu 合金化渣剂精炼去除冶金级硅中 金属杂质》

doi:10.

6043/j.issn.0438-0479.201803064 Si-Cu 合金化渣剂精炼去除冶金级硅中 金属杂质 张陈通

1 ,刘应宽

2 ,温卫东

2 ,窦鹏2,李 洋2,苏 静2,黄柳青

1 ,罗学涛 1* (1. 厦门大学材料学院,福建 厦门 361005;

2.宁夏东梦能源有限公司,宁夏 银川 750021) 摘要:采用 Si-Cu 合金精炼与 CaO-SiO2-CaCl2 造渣精炼相结合的方法对冶金级硅进行精炼,通过多 种分析方法考察了合金造渣过程、渣剂添加剂和合金成分对金属杂质铁(Fe)、铝(Al)和钙(Ca)去除效 果的影响.结果表明,提高 Si-Cu 合金中的 Cu 含量可以有效增加 Cu3Si 相在 Si 中的含量,合金造渣 过程会产生多而弥散的合金相,造渣后的金属杂质 Fe、Ca 聚集在 Si-Cu 合金的 Cu3Si 相中.在渣剂 中添加 CaCl2 助溶剂可有效提高金属杂质 Fe、Al 和Ca 的去除率.此外,随着 Si-Cu 合金中 Cu 含量 的增加,Cu 在合金中的析出现象明显,Fe 的去除率上升,Al 的去除率不变,Ca 的去除率下降.当Si-30%Cu 合金与 45%CaO-45%SiO2-10%CaCl2 渣剂进行精炼后,Fe 的去除率为 68%,Al 的去除率 为94%,Ca 的去除率为 86%. 关键词:冶金级硅;

金属杂质;

合金精炼;

造渣精炼 中图分类号:TB

321 文献标志码:A 随着全球经济的快速发展,世界各国对能源的需求不断增加,传统的化石能源已经不能满足人 类社会的发展;

同时,环境的污染已经严重威胁到人类的生存.在21世纪,太阳能的开发和利用倍 受关注.目前,多晶硅太阳能电池是使用最为广泛的商业化太阳能电池之一,其光电转换效率最高 可达22%[1] .近年来,我国太阳能光伏产业发展迅速,大力促进了我国的工业结构转型和能源结构调 整. 为进一步发展我国的光伏产业, 采用低成本、 节能环保的技术生产太阳能级多晶硅 (纯度99.9999% 以上)是必然的选择.冶金法制备的产品纯度适宜,这不仅能够避免纯度浪费,同时减少了掺杂过 程的能量消耗,因此该法逐渐成为业界公认的最具发展潜力的太阳能级多晶硅的制备方法[2] . 冶金级硅中的杂质富集状态不尽相同,冶金法可针对硅中各类杂质的特性进行精准除杂.冶金 级硅中的杂质主要分为金属杂质和非金属杂质两类.金属杂质(如Fe、Al、Ca 等)的分凝系数较小, 在凝固过程中容易偏析在晶界或者晶体表面;

非金属杂质(如B、P 等)的分凝系数较大,在凝固 收稿日期:2018-03-30 录用日期:2018-07-16 * 通信作者:[email protected] 过程中趋于聚集在硅的基体中.冶金法工艺包括:造渣精炼[3] 、酸洗浸出[4] 、定向凝固[5] 、等离子氧 化精炼[6] 、电子束精炼[7] 等.目前,国内外冶金法制备太阳能级硅的方法仍存在工艺流程较长、规模 小等不足.合金精炼法可以改变硅中杂质的富集状态,是当前冶金法提纯多晶硅的研究热点之一[8] . 它的基本原理是利用合金相改变杂质的分凝行为及化学状态,使杂质趋于富集在合金相中,最后通 过去除合金相以达到提纯的效果.目前,溶剂金属主要有 Al[9] 、Cu[10] 和Sn[11] 等.由于 Cu 对多数 Si 中的杂质元素具有较强的亲和力,且与 Sn 相比,Cu 的价格低廉;

与Al 相比,则原料成本较高,但是Cu 杂质酸洗更易被去除,不容易被氧化[12] .除此之外,Si-Cu 合金表面张力随着合金中 Cu 含量 的增加而增加[13] ,当界面张力较小时,不利于两相分离;

当界面张力较大时,则有利于两相分离, 所以选取适当成分的 Si-Cu 合金,有助于分离提纯 Si 与硅铜合金.同时,由于 Si 与Cu 的密度差较 大,这也将进一步促进提纯 Si 与硅铜合金的分离[10] .已有的研究表明,可使用重介质分离[10] 和酸洗 [14] 等方法可以去除硅铜合金相,且由于室温下 Si 相中的 Cu 固溶度低于