Al-Si合金熔渣精炼制备太阳能级硅的研究

发布时间：2017-08-26 16:33

  本文关键词：Al-Si合金熔渣精炼制备太阳能级硅的研究

  更多相关文章： 太阳能级硅 铝硅合金 复合熔剂精炼 提纯 电场强化

【摘要】：随着光伏产业的飞速发展,太阳能级硅作为太阳能电池光电转换的核心材料,其需求量急剧增加。当前,全球太阳能级硅的生产主要采用改良西门子法,但是该工艺存在流程长、成本高、能耗大等问题,大大限制了我国快速发展的光伏产业对于太阳能级硅材料的需求。为了使太阳能电池得到更加广泛的应用,开发廉价、高效、安全的多晶硅生产新工艺显得迫在眉睫。冶金法因在降低硅材料成本、简化工业流程与节能环保方面潜力巨大,被认为是未来研究和发展制备太阳能级多晶硅方法的重要方向。其中熔渣精炼和合金精炼法,在去除难去除非金属杂质B、P上存在一定的优势,但是单一方法的提纯效果仍存在着不足之处。本文在熔渣精炼和合金精炼的基础上采用复合熔剂精炼(合金-熔渣)的方法,即在进行合金精炼的同时进行熔渣精炼。提出了以Al-Si合金熔剂和CaO-Al2O3-SiO2渣剂制备太阳能级硅的新思路,研究了精炼过程中关键元素铝和硼在渣金两相间的迁移与分配的规律,有效地去除了非金属杂质B,并有效克服和解决了传统复合熔剂精炼工程存在的熔剂难分离和难回收利用的问题。同时研究了对其他主要杂质P和Fe、Ca、Ti的去除效果。并且研究了电场强化Al-Si合金熔渣精炼对非金属杂质B的去除效果与作用机理。(1)利用Factsage软件模拟计算与实验相结合,得到40wt%CaO-40wt% SiO2-20wt%Al2O3渣和60wt%Al-Si合金体系的最佳渣金比为5,此时合金中Al的转化率达到96.52%,硅中B含量由302.74ppmw降至23.37ppmw,去除率为92.28%。延长精炼时间,元素铝和硼均不断由合金中向渣相迁移。铝元素在精炼10min内迁移运动最为剧烈,迁移比达到12.32；硼元素在精炼30min内迁移运动最为显著,迁移比达到10.96。精炼90min后,合金中铝元素含量由初始的60.00%降至2.56%,硼元素由初始302.74ppmw降至24.96ppmw。(2)铝元素的迁移会改变渣的组成,造成渣的碱度与氧势的变化,从而影响硼元素的迁移。随精炼后渣中(CaO+Al2O3)/SiO2值增大,硅中硼含量呈先下降后上升的趋势,B含量在(CaO+Al2O3)/SiO2值1.24附近有最小值8.01ppmw,此时硼的迁移比为37.80,去除率达到了97.35%。(3) Al-Si合金熔渣精炼能够较好的实现渣金分离,利用铝热还原反应能有效克服传统复合熔剂精炼过程中存在的熔剂分离难与难回收利用问题。同时Al-Si合金熔渣精炼对金属P杂质的去除规律与B相似：增大渣金比,有利于P的去除。当渣金比为5时,P由初始的27.78ppmw降至2.46ppmw,去除率达到了90%以上,能够实现P和B的同步去除。P的去除率呈现出两个明显不同的阶段,第一阶段为精炼前30min,该阶段对硅中P提纯效率较高,P的去除率达到了87.5%。第二阶段为精炼30min后,由于反应和传质的推动力下降,此时继续延长精炼时间P的提纯效率增加缓慢。在一定范围内,减小平衡渣中的(CaO+Al2O3)/SiO2值,对P的提纯有利,在(CaO+Al2O3)/SiO2值为1.24附近P的去除率最高达到了94.24%。(4) Al-Si合金熔渣精炼后样品中金属杂质在硅晶界处出现了高度的富集,精炼后经酸洗处理,金属杂质Fe、Ca、Ti的去除率分别达到了92.84%、76.07%、96.20%。对这些杂质相形式进行分析,发现主要以Ca-Si-Al基的杂质相为主。(5)电场强化Al-Si合金熔渣精炼过程中随电压增大,硅中硼含量呈下降趋势,电压为3V下,随精炼时间延长,单位时间内的除硼速率呈现出三个不同的阶段：精炼前10min、10min-60min和60min-120min,其对应的硼的去除速率分别为17.77 (ppmw/min)、 1.95 (ppmw/min)和0.07 (ppmw/min)。电压为6V时,硼含量降至26.75ppmw,相比于OV电压时硅中硼含量多下降了20%。(6)首次采用循环伏安法对电场强化熔渣精炼体系中阴阳极反应机理进行了探索与实验验证。得到了电场作用下阴阳极的反应方程式如下：阳极反应：B+3O2-=(BO3-)+3e-；阴极反应：Si4++4e-=Si
【关键词】：太阳能级硅 铝硅合金 复合熔剂精炼 提纯 电场强化
【学位授予单位】：昆明理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN304.12
【目录】：

• 摘要6-8
• Abstract8-13
• 第一章 绪论13-29
• 1.1 研究背景13-14
• 1.2 杂质对太阳能电池性能的影响14-15
• 1.3 太阳能级多晶硅材料的制备技术15-17
• 1.3.1 化学法15-17
• 1.3.2 冶金法17
• 1.4 冶金法制备太阳能级多晶硅技术17-22
• 1.5 冶金法去除杂质的问题和难点22-23
• 1.6 复合熔剂精炼工艺制备技术23-26
• 1.6.1 常规复合熔剂精炼工艺23-24
• 1.6.2 外场强化方式24-26
• 1.6.3 复合熔剂精炼存在的问题26
• 1.7 研究课题的提出目的、内容及方案26-29
• 第二章 Al-Si合金熔渣精炼过程中元素B和Al迁移与分配的研究29-49
• 2.1 引言29
• 2.2 热力学可行性分析29-32
• 2.3 实验部分32-36
• 2.3.1 实验原料与试剂32
• 2.3.2 实验设备与分析仪器32-33
• 2.3.3 分析测试方法33
• 2.3.4 实验准备33-35
• 2.3.5 Al-Si合金熔渣精炼实验方法35
• 2.3.6 物理量定义及数据处理35-36
• 2.4 不同精炼参数对元素B和Al在渣金两相间迁移与分配的影响36-43
• 2.4.1 渣金比对Al、B元素迁移分配的影响36-38
• 2.4.2 精炼时间对Al、B元素迁移分配的影响38-41
• 2.4.3 铝元素迁移对硼元素迁移的影响41-43
• 2.5 元素铝和硼迁移过程表征及机理分析43-45
• 2.6 渣金以及硅金的分离评价45-46
• 2.7 小结46-49
• 第三章 Al-Si合金熔渣精炼对硅中其它典型杂质元素的去除影响49-59
• 3.1 引言49
• 3.2 实验部分49
• 3.3 Al-Si合金熔渣精炼对非金属杂质P的去除效果49-52
• 3.3.1 渣金比对P去除效果的影响49-50
• 3.3.2 精炼时间对P去除效果的影响50-51
• 3.3.3 渣组成对P去除效果的影响51-52
• 3.4 Al-Si合金熔渣精炼对金属杂质Fe、Ca、Ti的去除效果52-57
• 3.4.1 合金精炼对硅中Fe、Ca、Ti的去除影响52-54
• 3.4.2 精炼硅中金属杂质的分布规律以及相分析54-56
• 3.4.3 金属杂质去除过程的行为与机理分析56-57
• 3.5 小结57-59
• 第四章 电场强化Al-Si合金熔渣精炼除硼的研究59-71
• 4.1 引言59-60
• 4.2 阴阳极反应机理研究60-63
• 4.2.1 实验部分60-61
• 4.2.2 阴极反应机理研究61-62
• 4.2.3 阳极反应机理研究62-63
• 4.2.4 电场强化除硼反应机理63
• 4.3 电压和精炼时间对精炼效果的影响63-69
• 4.3.1 实验部分63-65
• 4.3.2 样品表征65
• 4.3.3 电压对除硼的影响65-66
• 4.3.4 精炼时间对除硼的影响66-69
• 4.4 小结69-71
• 第五章 结论与展望71-73
• 5.1 结论71-72
• 5.2 展望72-73
• 致谢73-75
• 参考文献75-81
• 附录 攻读学位期间研究成果81

，

本文编号：742397