多孔冶金级硅粉制备及其杂质脱除的研究

发布时间：2018-02-11 06:29

本文关键词： 多孔结构金属纳米颗粒辅助刻蚀法冶金级硅杂质脱除　出处：《云南大学》2016年硕士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：太阳能因其储量丰富、绿色环保、安全便捷等优点,被认为是21世纪最有前途的能源之一。与传统化学法相比,冶金法制备太阳能级多晶硅技术在降低成本、减少能耗等方面表现出巨大潜力。针对传统冶金法制备太阳能级多晶硅中湿法酸浸难以实现硅中杂质深度去除的问题,本文将金属纳米颗粒辅助刻蚀技术与传统湿法酸浸相结合,在硅料表面及内部引入大量孔道,使硅料内部包裹的夹杂充分暴露,通过SEM、XRD、EDS以及ICP-AES对多孔结构、夹杂的杂质以及含有的杂质含量进行分析,以实现工业硅料中杂质深度脱除的目的。(1)通过对冶金级硅中杂质的赋存状态的研究,发现在冶金级硅的金属杂质主要以岛状夹杂分布于硅基体中,且主要以合金杂质相的形式为主,其中含有的金属杂质为Fe、Al、Ca、Ti、V以及少量Ni、Cu等。(2)对不同方法制备的多孔硅形貌观察,通过对比发现：无论传统化学刻蚀法还是金属纳米颗粒辅助刻蚀法均可在工业硅粉表面引入大量微纳米孔道,孔洞大小和分布均匀程度均呈现出随氧化剂浓度的增加而增加的趋势,而金属纳米颗粒辅助刻蚀方法在孔道生长速率、孔道形貌结构调控方面均表现更加出色,通过选取合适的氧化剂(H202)和浓度(5-15mM),可以高效地获得孔径在50～300 nm之间,孔深在约0-60μm范围内可调的多孔工业硅粉。(3)考察了沉积过程中各因素对多孔结构形貌以及杂质脱除的影响,得出优化后沉积条件为[HF]:4.6M, [AgNO3]:10mM,沉积时间：60s。最佳去除率Fe：99.51%、Al：92.90%、Ca：80.17%、Ti：89.49%、B：52.67%,P：57.70%,对沉积过程中杂质的去除机理进行初步探讨,认为在短暂的沉积过程中杂质的脱除主要依靠表面暴露的杂质与HF之间作用,并在短时间内去除相当一部分杂质。(4)在众多影响因素中,刻蚀时间(0.5-8h)和HF浓度(2.3-9.2M),对多孔结构影响不大而对杂质的脱除影响较大；刻蚀溶剂比(H2O:Alcohol=1:0～0.1)的变化对多孔结构形貌影响较大,添加一定乙醇能够抑制损耗增加：刻蚀温度(0-80℃)、H202浓度(2.5～15mM)对多孔形貌和杂质的去除影响都比较大。实验中最佳的杂质去除率分别为：Fe：99.7%；A1：96.83%,Ca：98%,Ti：94.35%,B：78.55%,P：81.33%。综合考虑损耗以及杂质去除效果得出优化后刻蚀条件为:[HF]:4.6M, [H2O2]:7.5mM,刻蚀温度：25℃,刻蚀时间：2h,添加25%乙醇。对刻蚀过程中杂质的去除机理进行初步探究,认为刻蚀过程中暴露的杂质在与HF作用得到去除的同时,刻蚀液在杂质夹杂区域周围形成的孔洞结构能够加剧杂质整块脱落,对分布在硅基体中的非金属杂质会随着部分硅基体的溶解而去除,因此对非金属杂质的去除有一定成效。(5)在硝酸清洗银的过程中,杂质的去除率随着反应时间的增加而升高,适当增加硝酸浓度有利于杂质的去除,其中杂质去除率最高达到Fe：99.61%、A1：94.1%、Ca：84.41%、Ti：88.04%、B：55%、P：56%。在硝酸洗涤银颗粒的过程中,刻蚀过程中暴露出但未去除的杂质能够进一步与硝酸溶液作用,在强化了杂质脱除。
[Abstract]:Compared with the traditional chemical method , the metal impurity in the metallurgical grade silicon is mainly distributed in the silicon matrix , and the pore size and the distribution uniformity of the metal nano - particles can be increased with the increase of the concentration of the oxidant , and the porous industrial silicon powder with pore size of 50 - 300 nm and adjustable pore depth in the range of about 0 - 60 mum can be obtained by selecting suitable oxidizing agents ( H202 ) and concentration ( 5 - 15 mM ) . ( 3 ) The influence of various factors on the morphology of porous structure and removal of impurities was investigated . The optimized deposition conditions were as follows : Fe : 99.51 % , Al : 92.90 % , Ca : 80.17 % , Ti : 89.49 % , B : 52.67 % , P : 57.70 % . ( 4 ) In many influencing factors , the etching time ( 0.5 -8h ) and HF concentration ( 2.3 - 9.2M ) have a great influence on the removal of impurities . The removal mechanism of etching solvent ratio ( H2O : Alcohol = 1 : 0 - 0.1 ) is larger . The removal mechanism of impurity in etching process is as follows : Fe : 99.7 % ; Al : 96.83 % , Ca : 98 % , Ti : 94.35 % , B : 78.55 % , P : 81.33 % . ( 5 ) In the process of nitric acid cleaning silver , the removal rate of impurities increases with the increase of reaction time , and the removal rate of nitric acid is increased as the reaction time increases . The removal rate of impurities is up to 99.61 % , A1 : 94.1 % , Ca : 84.41 % , Ti : 88.04 % , B : 55 % , P : 56 % . During the process of washing silver particles with nitric acid , the impurity exposed but not removed during etching can be further reacted with nitric acid solution to enhance impurity removal .

【学位授予单位】：云南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ127.2

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