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UMG-Si制备过程中湿法冶金除B分子动力学模拟及实验研究

唐建文  
【摘要】:在冶金法提纯制备太阳能级多晶硅的过程中,湿法冶金是其中重要的预处理工艺技术,能将2N的冶金级硅(MG-Si)提纯至纯度达3.5-4N的超冶金级硅(UMG-Si),大大降低后续火法提纯的难度和成本。采用湿法冶金提纯MG-Si能够去除大部分金属杂质Fe、Al、Ca等,但对非金属杂质B、P的湿法去除还缺乏深入研究。MG-Si中的B的去除一直是冶金法提纯制备太阳能晶硅(SoG-Si)的重点和难点。由于B在MG-Si中特殊的物理化学性质,直接采用实验研究方法难以清楚了解湿法除B机理,本文以MG-Si中的非金属杂质B为研究对象,探索实验研究为基础,结合从头算分子动力学,研究了湿法冶金除B机理。 本文首先对湿法冶金除B进行了热力学研究,结果表明,杂质元素B与氧化性酸或络合能力较强的F-的反应能够自发进行,说明理论上采用湿法冶金除B是可行的;在此基础上分别进行了常压、氧压、超细磨活化、微波水淬条件下的湿法冶金除B探索性实验研究,研究结果表明,加压条件下使用含F-浸出介质能有效除B,杂质B含量可从22.5ppm降至8.8ppm,去除率达60.89%。 采用量子化学计算软件Materials Studio构建湿法冶金除B模型,选取Si(110)为反应界面,向界面上掺杂B形成Si(110)B,再对湿法冶金除B浸出介质的主要粒子H+、OH+、O2、F+、Cl+、SO42-、N04+与Si(110)B相互作用进行了研究,通过对结构变化、态密度、键长、Mulliken布居等性质的分析可知:采用酸性介质较碱性介质更有利于B的去除;F-、N03-对B去除效果较好;反应过程中通入02有利于B的去除;模拟计算结果与湿法除B试探实验结果基本吻合,为采用湿法冶金除B提供了理论依据。 对F-和NO3-湿法除B过程进行了分子动力学模拟,模拟条件分别为298K、0.1MPa和473K、1.5MPa,模拟时间为1ps。模拟结果表明:F-除B时主要是F-与B强烈的相互作用,致使Si-B键断裂,可进一步络合形成BF3再生成可溶性的BF4-脱离Si基体而去除;升高温度和压力有助于增强F-除B效果。N03-除B时首先将Si-B键氧化成B-O键,进一步将B氧化生成BO32-,而NO3-则还原成N02。 此外,还研究了MG-Si中的金属杂质Fe、Al、Ca对Si-B系结构的影响,结果表明金属杂质的掺入会削弱Si-Si键和Si-B键的键强。Si-Si键键强削弱顺序为AlCaFe,对Si-B键键强削弱顺序为AlFeCa;键强大小为Fe-SiAl-SiCa-Si、Al-BFe-BCa-B。验证实验采用MG-Si粉、B粉、Fe粉、Al粉和Ca粉分别配制熔炼成Si-Fe-B、Si-Al-B、Si-Ca-B合金,再进行酸洗实验研究。结果表明掺Ca后除B效果最好,Al次之,Fe无效果,这与模拟计算结果中Ca-B键强度最低有关,实验结果与计算结果基本吻合。


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