低溫凈化冶金硅工藝

　　低溫凈化冶金硅工藝

　　摘 要：在太陽(yáng)能級多晶硅生產(chǎn)工藝中，才用冶金凈化法去除硼、磷等雜質(zhì)的方法消耗的能量較大，而金屬熔析凈化法能夠有效的實(shí)現冶金硅在金屬液環(huán)境下低溫熔化，然后結晶凈化，是一種能耗較低的去除硼、磷的方法。

　　本文主要針對熔析體系選擇原則進(jìn)行分析，對錫、鋁等金屬作為熔析介質(zhì)進(jìn)行篩選，對于Sn-Si體系，在1500K時(shí)的硼分凝系數為0.038，小于純硅熔點(diǎn)0.8。

　　硼的質(zhì)量分數在冶金硅二次熔析凈化處理時(shí)可以由15×10-6降至0.1×10-6，一般情況下，其它雜質(zhì)都可以一次性去除到0.1×10-6以下。

　　在凈化的過(guò)程中，硅與雜質(zhì)生成的化合物是去除雜質(zhì)的主要方法，本文主要針對金屬熔析凈化法作為基礎的低溫凈化冶金硅的工藝進(jìn)行分析。

　　關(guān)鍵詞：低溫;金屬熔析凈化法;太陽(yáng)能級硅;冶金硅;工藝

　　隨著(zhù)光伏產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，太陽(yáng)能電池被稱(chēng)為太陽(yáng)能級硅，目前太陽(yáng)能電池的主要原料出現嚴重的不足，在冶金過(guò)程中，對太陽(yáng)能級硅的這一新技術(shù)的研究是具有重要意義的。

　　近年來(lái)，一些太陽(yáng)能電池通過(guò)試驗研究出來(lái)，并開(kāi)始銷(xiāo)售，但是很多用于冶金過(guò)程的方法，如真空精煉、結渣精煉及等離子體處理的時(shí)間都比較長(cháng)，且溫度較高。

　　所以，研究一種低成本的冶金技術(shù)是大勢所趨。

　　冶金的過(guò)程實(shí)際上是對硅進(jìn)行有序凈化的過(guò)程，是一步一步對雜質(zhì)進(jìn)行去除的過(guò)程。

　　因為雜質(zhì)有自身的特性，沒(méi)有一種方法能夠去除所有的雜質(zhì)，所以，不管是何種工藝，都是不同的方法組合在一起。

　　本文主要在低溫冶金過(guò)程的基礎上提出了在金屬熔析凈化法。

　　1 金屬熔液系統的選擇

　　在硅金屬溶液中，固體溶解雜質(zhì)如果要在低溫條件下迅速的去除，首要條件是硅鎂必須要熔化，通過(guò)金屬熔析法能夠簡(jiǎn)單的實(shí)現降硅溶解到熔融金屬，主要是以為內硅鎂的熔點(diǎn)比硅要低很多。

　　合金溶液在冷卻以后，金屬液中存在結晶硅與雜質(zhì)，通過(guò)金屬熔析凈化方法，可以將結晶硅從金屬液中分離出來(lái)。

　　該方法關(guān)鍵在于硅接近通過(guò)低溫處理后得到凈化硅，實(shí)現了硅鎂在低溫環(huán)境下節能凈化，盡管很多金屬在低溫下會(huì )溶解硅，只有部分是針對液化的金屬媒介，在這部分金屬溶液的選擇時(shí)，依據以下標準。

　　1.1 沒(méi)有中間化合物生成。

　　如果中間化合物的培養基與硅中夾帶有金屬，會(huì )造成嚴重的影響。

　　除此以外，所夾帶的金屬也會(huì )使硅的分離更加困難，分離時(shí)也會(huì )造成嚴重的夾帶金屬損失。

　　1.2 在共晶點(diǎn)低濃度和低溫度。

　　在共晶點(diǎn)，硅與金屬的共結晶。

　　一般情況下，硅的共晶點(diǎn)存在于具有均勻的顯微組織金屬硅和二元合金系統中，很難分開(kāi)，也導致硅的損失比較嚴重。

　　除此以外，如果共晶點(diǎn)的溫度比較高，就會(huì )導致大量的硅出現溶解廚衛金屬液。

　　所以，降低共晶點(diǎn)的溫度是節能凈化過(guò)程的必然選擇。

　　1.3 雜質(zhì)分凝系數小。

　　在硅和金屬之間，如果硅結晶的介質(zhì)中含有雜質(zhì)，就會(huì )使得硅晶體和金屬液之間的偏析系數重新分配，金屬雜質(zhì)會(huì )使純化的過(guò)程和凈化的效率提高。

　　1.4 硅在低溫下的高溶解度。

　　在整個(gè)熔融的過(guò)程中，鎂和硅先溶解，在低溫環(huán)境下再結晶后的金屬液，硅的溶解度比較高，高溶解度的硅能夠使系統的處理能力變強。

　　1.5 硅晶體容易從金屬液中分離出來(lái)。

　　硅和介質(zhì)之間的特性是非常明顯存在的，例如密度，能使硅與介質(zhì)進(jìn)行分離的時(shí)候降低浪費，諸如結晶硅的粒子比較大，金屬的粘度比較小等特征，能夠降低在分離過(guò)程中的夾帶浪費。

　　2 凈化效率

　　2.1 雜質(zhì)分凝系數計算。

　　采用這種方法時(shí)，對其凈化效率其決定性因素的是硅和介質(zhì)間的雜質(zhì)的偏析系數，即硅結晶與熔融金屬。

　　在這個(gè)項目的研究中，利用FactSage軟件對偏析系數進(jìn)行計算。

　　該軟件的數據庫給出了二元體系的熱力學(xué)數據，但三元系統的數據沒(méi)有給出。

　　在計算的過(guò)程中，三元系統是以二元體系為基礎的，是在二元體系上擴展而來(lái)的。

　　但是，數據庫中的主要數據進(jìn)行分析，只有一部分元素在晶體硅中是可溶的，例如錫、鈦、鋅、硼、碳、氮、鍺等。

　　也就是說(shuō)，只有這部分元素的偏析系數可以直接通過(guò)該軟件計算得到。

　　2.2 雜質(zhì)之間中間化合物的生成。

　　在對冶金硅進(jìn)行凈化的過(guò)程中，硅在低溫凝固的過(guò)程中降低其凝固點(diǎn)，使雜質(zhì)偏聚于臨界結晶點(diǎn)。

　　凝固的方式是單相的，雜質(zhì)會(huì )沿著(zhù)凝固方向的一側偏析，這種方法就是分離的方法。

　　在凝固過(guò)程中，在硅的結晶點(diǎn)如果不能形成化合物，或者只可能在晶界處形成化合物，主要是由于雜質(zhì)含量高、凝固點(diǎn)過(guò)低影響的。

　　但是，隨著(zhù)金屬熔融過(guò)程中金屬液中硅的結晶，液體中會(huì )留下雜質(zhì)，按照分離系數，如果金屬液的流動(dòng)性比較好，對雜質(zhì)的轉移是有利的。

　　因為大部分雜質(zhì)在硅形成的化合物中，溶解的溫度也比較低，在合金中能夠冷卻去除。

　　2.3 金屬熔析法凈化效率。

　　通過(guò)試驗顯示，Sn金屬熔硅在去除金屬雜質(zhì)的效率方面顯得尤為突出，特別是對Ni、Cu、V等金屬雜質(zhì)的去除效率上達到99.9%，雜質(zhì)殘留的質(zhì)量分數小于0.1×10-6，在雜質(zhì)中Fe和Al通常是含量比較高的雜質(zhì)，去除效率可以達到99%，對Cr、Mn及Ti等金屬雜質(zhì)采取二次除塵后，去除的效率可以達到99.9%。

　　但是，在金屬熔析中，真正關(guān)心的是硼和磷的去除效率。

　　根據去除效果顯示，如果硼的去除效率達到85%，那么在二次除塵以后，去除的效率可以達到99.9%，硼的質(zhì)量分數從15.4×10-6降低到低于0.1×10-6，對于磷而言，熔融處理的去除效率達到60%，進(jìn)行二次除塵后，去除效率可以達到80%。

　　3 結束語(yǔ)

　　金屬熔析凈化法的采用實(shí)現了節能的目的，本文主要針對低溫冶金過(guò)程中金屬熔析凈化法工藝的運用進(jìn)行簡(jiǎn)單的分析。

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