电子束熔炼去除硅中氧、碳及其化合物的研究

发布时间：2017-12-08 23:05

  本文关键词：电子束熔炼去除硅中氧、碳及其化合物的研究

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【摘要】：随着能源危机、环境问题的不断加剧,世界各国对可再生能源进行了大量的研究。太阳能以其环保、高储量、安全及潜在的经济性成为大家所关注的焦点。光伏发电是太阳能利用的主要形式,而铸造多晶硅是应用最广泛的太阳能电池基体材料,探索建立低成本、低能耗的多晶硅制备技术是促进光伏产业可持续性发展的重要途径之一。铸造多晶硅以高纯硅为原材料,但在铸造过程中,处在高温状态下的硅熔体及硅蒸气,不可避免地与石英坩埚和石墨发热体、石墨支撑材料发生反应,使大量的氧元素、碳元素通过扩散、对流等方式进入熔体中。当硅完全凝固后,这些杂质以固溶或沉淀的形式分布在多晶硅铸锭的顶部、底部和侧面,严重影响了材料的电学性能,因此不能被直接用于制备太阳能电池。这部分材料占整个铸锭的30%以上,传统的回收再利用方法是：将高氧区域的材料与高纯硅料混合铸锭,然而这种方法并未将氧杂质去除,造成了光电转换效率的衰减；将高碳区域的材料经过一次定向凝固后再继续使用,这种方法效率较低、成本较高。因此,急需开发高效、低成本的回收再利用方法。本论文针对多晶硅铸锭侧部和底部高氧浓度区和顶部高碳浓度区无法高效、低成本回收利用的问题,结合电子束熔炼技术的特点和氧、碳杂质在硅中的特性将其去除,实现这部分硅材料的回收和再利用。其中,对于高氧杂质区域,利用电子束熔炼高温、高真空度的特点将氧杂质从硅熔体中蒸发去除,获得了氧在特定参数下的去除率以及蒸发速率。同时,将电子束处理后的硅料与高纯硅料按照比例混合获得多晶硅铸锭,评价了铸锭的性能,并与传统方式获得的铸锭进行了比较。对于高碳杂质区域,利用电子束熔炼过程中熔体内部温度梯度较大的特点,使碳元素在低温区析出并沉积,解释了这种现象产生的机制。主要得到以下结论：(1)在相同熔炼功率下,硅中氧浓度随熔炼时间的增加而降低,随时间的进一步延长逐渐趋于水平。使用15kW的电子束功率熔炼时,当熔炼时间逐渐增加到600s时,氧含量降低到低于0.0571ppmw,去除率达到99.08%。通过对氧杂质蒸发动力学的分析,其蒸发去除的速率常数为1.10×10-5kg/s,比相同熔炼条件下的磷、铝和钙的去除速率更快。在熔炼过程中,硅基体的蒸发损失非常小,在氧被去除到目标值后,硅的损失率仅为1.7%,证明电子束熔炼是一种去除硅中氧杂质的非常有效的方法,并且可以减小硅的损失。(2)在产业化电子束熔炼设备上实现除氧过程,当电子束功率为500kW时,熔炼30min后氧含量从10ppmw降低到小于0.0571ppmw,去除率达到99.429%。但是,在铸锭底部,氧并未被去除到这种程度,其含量为0.12ppmwo这是由于在凝固过程中氧在固液界面的分凝和在气液界面的蒸发的耦合作用形成的。电子束再生精炼后的硅料制备的多晶硅铸锭,与传统方法相比,两者少子寿命的平均值相同,但是再生多晶硅铸锭的中部区域的少子寿命要远远好于未再生的铸锭。两者的光电转换效率在初始时都为17.55%。4小时后,其效率分别降低到17.05%和15.775%,再生多晶硅的衰减更小。(3)高碳浓度的多晶硅料,使用电子束熔炼后SiC被富集在铸锭的边缘,而中心部位碳含量降低,原因是电子束熔炼下熔体中存在极大的温度梯度,靠近水冷铜的部分温度低、流动性差,硅中的碳元素随熔体流动到该区域后在此析出并聚集,从而被分离。电子束熔炼分离硅中碳化物夹杂的技术被应用到实际生产中,熔炼完成后坩埚中的熔体被倾倒进入凝固坩埚中。结果表明,大部分SiC被保留在熔炼坩埚中,凝固坩埚中铸锭中部的大部分区域已无SiC析出。
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN304.12

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本文编号：1268163