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冶金提纯法制备太阳能级多晶硅研究

张剑  
【摘要】: 清洁可再生能源是人类文明可持续发展,解决能源短缺、环境污染与经济发展之间矛盾的首要选择。其中,太阳能以分布广泛、储量无穷、清洁无污染等优点备受世人关注,太阳能的研究和应用也成为人类能源发展的主要方向之一。随着越来越多的国家启动国家性光伏工程,光伏产业必将迎来更加迅猛的发展,对太阳能级多晶硅的需求也将极大的增加。太阳能级多晶硅不仅是光伏产业的基础原材料,同时也是提纯制备半导体级硅的主要原材料。目前,太阳能级多晶硅主要采用化学方法制备,成本高、污染大、关键技术被国外垄断,导致供应严重匮乏,直接催生了太阳能级多晶硅制备新工艺的研究热潮。其中,采用冶金手段提纯制备太阳能级多晶硅以其成本低、无污染等特点尤其受到重视。 通过对其他研究机构与学者提出的工业硅提纯工艺仔细对比和研究,本研究提出了一种采用冶金手段将工业硅提纯至5N以上,最终制备为适合制作太阳电池的多晶硅铸锭的新工艺路线,并通过实验进行了验证。本工艺主要采用酸洗、真空精炼、一次定向凝固、电子束精炼、二次定向凝固五个步骤提纯制备太阳能级多晶硅铸锭。同时本研究还涉及坩埚选择、检测手段和腐蚀方法等,并研究定制了一系列相关的多晶硅提纯设备。 酸洗实验结果表明,不同的酸对工业硅中杂质的去除效果是不同的。HF酸洗去除杂质Al、Fe效果最佳;而对杂质Ca、Ti、Cu、Zn而言,HF酸洗与HCl酸洗效果相差不大。当工业硅粒度为0.1~0.5mm,在60℃恒温水浴条件下,由4 mol/l的HF酸酸洗24小时以上时,酸洗效果最佳,工业硅中的金属杂质去除率可达到88.9%。当在酸洗过程中施加超声场时,声流和声空化作用使硅粉表面未完全暴露的晶界狭缝处的杂质被去除的更加彻底,可以提高酸洗提纯效果。 真空精炼研究表明,当真空度为10~(-2)Pa时,精炼30~40 min可以有效去除工业硅中的饱和蒸气压高的杂质元素。进一步提高真空度和精炼时间可以提高杂质去除率,但同时也极大的增大了硅的损失。同时,由P的真空精炼实验数据推导得到下式: Y_m=(C_(fin)/C_(ini))~(1/((?)-1)-0.966(1-C_(fin)/C_(ini)) 根据杂质P提纯前后的浓度C_(ini)和C_(fin),能够提前计算出提纯后硅的收率Y_m,该公式可作为真空精炼工艺制定的参考。 设计制造了专用于制备多晶硅铸锭的多区控温定向凝固装置。实验结果表明,当熔体温度保持为1550℃,拉锭速度为1×10~(-5)~5×10~(-5)m/s,冷却水流量300~800 L/h时,定向凝固两次以上可以使杂质得到有效去除。本文还通过计算定性的研究了定向凝固时,温度梯度、凝固速度、精炼磁场、凝固次数对定向凝固提纯的效果,利用自行设计的保温精炼炉在熔体中产生的精炼磁场以提高定向凝固过程中金属杂质分凝效果,并提出相应的作用机理。 采用电子束精炼提纯方法,并利用设计制造的电子束精炼设备研究了电子束工作模式、精炼温度、精炼时间、电子束功率、进料速度等因素对电子束精炼效果的影响。实验结果表明,当熔池温度为2500℃(2773 K,不考虑硅的收率),进行1 h以上电子束精炼可以有效去除硅熔体中的大部分杂质元素。实验计算了熔体温度与电子束功率和精炼时间的关系,从另一角度解决了电子束精炼的测温困难问题。 实验最终制得了φ100 mm×170 mm多晶硅铸锭,晶向基本平行于铸锭轴线,柱状晶发达,晶粒直径约5 mm左右;铸锭内部无明显缺陷,并且杂质元素沿铸锭径向均匀分布,沿轴向呈明显的梯度分布。经ICP-AES分析显示,铸锭的主要杂质含量由6000ppmw以上,降低到30 ppmw以下,在多晶硅铸锭的中下部区域可以达到5N,基本可以满足制备太阳电池的需求。通过进一步工艺优化,可以继续提高提纯效果,制备整体纯度在5N以上的太阳能级多晶硅铸锭。


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