铝硅合金法提纯制备太阳能级硅的工艺及机理研究

发布时间：2020-08-12 18:05

【摘要】：目前制备太阳能级硅的主要方法是化学法,这些方法具有能耗高、环境污染大等缺点。因此亟需开发一种低能耗、低成本的太阳能级硅的专用生产技术。Al-Si合金法可以大规模、低成本的提纯硅,可以同时有效去除硅中的关键杂质元素B和P。本论文以冶金硅中杂质元素的基本性质为研究基础,使用自主设计并装配的电磁感应熔炼炉进行实验,通过对所制备的一系列样品进行分析。得到了如下结果:(1)通过对实验制备的Al-Si合金连续凝固样品进行组织形貌观察和Al的分布分析,均验证了该连续凝固合金的凝固过程为定向凝固,且发现连续凝固过程中A1的分布有两种方式:Scheil模型分布和Initial Transient模型分布。使用二元合金凝固理论模型对Al的分布进行拟合得到了其分布曲线方程,并总结出过共晶Al-Si合金中Al的表观偏析系数k在本实验条件下为0.83左右,且随着合金中Al含量的升高呈缓慢下降的趋势,而共晶Al-Si合金中的Al均匀分布。(2)在Al-Si合金连续凝固过程中初晶Si中的杂质分布元素B、P、Al、Fe、Ti 的去除率最高分别达到了: 74.06%、84.31%、60.68%、99.56%、99.44%。通过对铸锭形貌和杂质元素含量的分析总结了杂质元素的去除规律：在凝固过程中,随着初晶硅的生长,所有杂质元素偏析至Al-Si共晶熔体中而去除,其中P、Al、Fe、Ti再随着定向凝固的进行偏析至铸锭顶部。通过表观偏析系数对杂质元素的偏析行为进行研究,发现其表观偏析系数均随着凝固温度的降低而升高,且远大于平衡偏析系数。(3)分别研究Ti的添加量和合金成分对Al-Si合金法在定向凝固条件下除B的影响及其除B的机理。通过形貌分析发现:在定向凝固条件下,初晶硅均被富集至铸锭底部,这有助于实验后收集初晶硅的同时减少盐酸的消耗。通过分别对不同Ti添加量的Al-30wt.%Si合金和不同Si含量的Al-Si-Ti体系中B的含量及其表观偏析系数的分析,总结了添加适量Ti对Al-30Si合金在定向凝固条件下快速除B的机理及合金中Si含量对Al-Si-Ti体系除B的影响机制。(4)通过对定向凝固法提纯冶金级硅的初步探索,发现定向凝固速度越慢,硅锭的柱状晶区体积占比越高,杂质的偏析去除效果越好。其中杂质元素B、P、Al、Fe、Ti 的去除率最高分别达到了: 60%、56%、99.8%、99.4%、99.9%。而且在熔炼过程中向熔体内部通入湿氢气进行精炼可进一步降低B的含量。最终将上述研究成果有机结合提出了一条可行的低成本合金法制备太阳能级硅的工业化路线。
【学位授予单位】：中国地质大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TQ127.2
【图文】：

趋势图,消费发展,英国石油公司,世界能源

消费均呈持续增高的趋势，英国石油公司的统计表明：能源需求不断增长的关键逡逑推动因素是世界人口的增长和收入的提高。预计２０３０年全球人口数量将达到８３逡逑亿，随着人民收入水平的不断提高，新增的能源需求将会更高。图１－１显示了世逡逑界能源消费的发展趋势，进入２１世纪以来全球次能源（煤、石油、天然气）逡逑消费总量年均增长２．６％左右，从２０１３至２０３５年，世界次能源消费将逐渐放逡逑缓，预计年均增长１．６％。逡逑各行业的消费逦各种燃料的消费逡逑卜亿吨油当置逦十亿吨油当Ｍ逡逑１８逦１８邋ｒ逡逑ｊ逦ｊ可再生能源逡逑１５邋ｒ逦１５逦Ｍｔｔ逡逑１９６５逦２０００逦２０３５逦１９６５逦２０００逦２０３５逡逑图１－１世界能源消费发展趋势（英国石油公司，２０１５）。逡逑Ｆｉｇ．邋１－１邋Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ邋ｔｒｅｎｄｓ邋ｉｎ邋ｇｌｏｂａｌ邋ｅｎｅｒｇｙ邋ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ．逡逑国内方面，周庆凡（周庆凡，２０１６）报导了中国能源产与消费现状，图］－逡逑２是中国能源消费发展趋势图，可以看出国内一次能源的消费逐渐增高，尤其是逡逑进入２１世纪后，随着经济的快速增长，国内一次能源的消费也呈现出快速增长逡逑１逡逑

趋势图,消费发展,中国能源,趋势

包括风能、水能、太阳能、生物质能、地热能、海洋能等分布比较广泛并可通过逡逑一定手段高效利用的能源。毕研涛等人报导了全球可再生能源发展现状（毕研涛，逡逑２０１６），可再生能源在电力领域的应用最具代表性，图１－３是全球可再生能源发逡逑电装机容量统计图，可以看出全球可再生能源近１０年（２００６？２０１５）累计的发电逡逑装机容量１０．３７亿ｋＷ增至１９．８５亿ｋＷ，＇．平均每年增长７．４９％。其中风电和光伏逡逑发电装机容量增幅最大，２０１５年分别比上年净增６６３５万ｋＷ和４７６６万ｋＷ。逡逑２逡逑

可再生能源发电,装机容量,全球

１％５！％７！％＜＞丨９７１１９７３！９７５邋１９７７！９７９！站１１财：？！９８５丨９８７｜兆９邋１９９１丨９９３！妁５邋１９９７１９９９邋２00丨２０＜｝３邋２００５：２00７：！＿２｛）１！２０１：１２（＞１５逡逑年份逡逑图１－２中国能源消费发展趋势（周庆凡，２０１６）。逡逑Ｆｉｇ．邋１－２邋Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ邋ｔｒｅｎｄｓ邋ｉｎ邋Ｃｈｉｎｅｓｅ邋ｅｎｅｒｇｙ邋ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ．逡逑一次能源的消费对各国尤其是发展中国家的经济增长具有显著作用，但其使逡逑用过程中所产生的污染物排放会对地球环境造成严重污染，其中ｃｏ２是造成地逡逑球温室效应的主要因素，导致全球气候变暖。据联合国气候变化专门委员会预测逡逑（Ｓｈａｆｉｑｕｒ．Ｒ，邋２００７），到下个世纪全球气温将升高５．８邋°Ｃ，最严重的后果是海平逡逑面将上升２５？１４５邋ｃｍ。由此人们对清洁无污染的可再生能源的需求更加迫切，越逡逑来越多的国家和人民意识到温室气体排放及环境污染问题带来的严重后果。逡逑可再生能源是指可以通过循环再生的一种能源，其对环境无污染或污染极小，逡逑包括风能、水能、太阳能、生物质能、地热能、海洋能等分布比较广泛并可通过逡逑一定手段高效利用的能源。毕研涛等人报导了全球可再生能源发展现状（毕研涛，逡逑２０１６）

【参考文献】