本文關(guān)鍵詞：Al-Si合金熔渣精煉制備太陽能級(jí)硅的研究

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【摘要】：隨著光伏產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展,太陽能級(jí)硅作為太陽能電池光電轉(zhuǎn)換的核心材料,其需求量急劇增加。當(dāng)前,全球太陽能級(jí)硅的生產(chǎn)主要采用改良西門子法,但是該工藝存在流程長、成本高、能耗大等問題,大大限制了我國快速發(fā)展的光伏產(chǎn)業(yè)對(duì)于太陽能級(jí)硅材料的需求。為了使太陽能電池得到更加廣泛的應(yīng)用,開發(fā)廉價(jià)、高效、安全的多晶硅生產(chǎn)新工藝顯得迫在眉睫。冶金法因在降低硅材料成本、簡化工業(yè)流程與節(jié)能環(huán)保方面潛力巨大,被認(rèn)為是未來研究和發(fā)展制備太陽能級(jí)多晶硅方法的重要方向。其中熔渣精煉和合金精煉法,在去除難去除非金屬雜質(zhì)B、P上存在一定的優(yōu)勢(shì),但是單一方法的提純效果仍存在著不足之處。本文在熔渣精煉和合金精煉的基礎(chǔ)上采用復(fù)合熔劑精煉(合金-熔渣)的方法,即在進(jìn)行合金精煉的同時(shí)進(jìn)行熔渣精煉。提出了以Al-Si合金熔劑和CaO-Al2O3-SiO2渣劑制備太陽能級(jí)硅的新思路,研究了精煉過程中關(guān)鍵元素鋁和硼在渣金兩相間的遷移與分配的規(guī)律,有效地去除了非金屬雜質(zhì)B,并有效克服和解決了傳統(tǒng)復(fù)合熔劑精煉工程存在的熔劑難分離和難回收利用的問題。同時(shí)研究了對(duì)其他主要雜質(zhì)P和Fe、Ca、Ti的去除效果。并且研究了電場(chǎng)強(qiáng)化Al-Si合金熔渣精煉對(duì)非金屬雜質(zhì)B的去除效果與作用機(jī)理。(1)利用Factsage軟件模擬計(jì)算與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合,得到40wt%CaO-40wt% SiO2-20wt%Al2O3渣和60wt%Al-Si合金體系的最佳渣金比為5,此時(shí)合金中Al的轉(zhuǎn)化率達(dá)到96.52%,硅中B含量由302.74ppmw降至23.37ppmw,去除率為92.28%。延長精煉時(shí)間,元素鋁和硼均不斷由合金中向渣相遷移。鋁元素在精煉10min內(nèi)遷移運(yùn)動(dòng)最為劇烈,遷移比達(dá)到12.32；硼元素在精煉30min內(nèi)遷移運(yùn)動(dòng)最為顯著,遷移比達(dá)到10.96。精煉90min后,合金中鋁元素含量由初始的60.00%降至2.56%,硼元素由初始302.74ppmw降至24.96ppmw。(2)鋁元素的遷移會(huì)改變?cè)慕M成,造成渣的堿度與氧勢(shì)的變化,從而影響硼元素的遷移。隨精煉后渣中(CaO+Al2O3)/SiO2值增大,硅中硼含量呈先下降后上升的趨勢(shì),B含量在(CaO+Al2O3)/SiO2值1.24附近有最小值8.01ppmw,此時(shí)硼的遷移比為37.80,去除率達(dá)到了97.35%。(3) Al-Si合金熔渣精煉能夠較好的實(shí)現(xiàn)渣金分離,利用鋁熱還原反應(yīng)能有效克服傳統(tǒng)復(fù)合熔劑精煉過程中存在的熔劑分離難與難回收利用問題。同時(shí)Al-Si合金熔渣精煉對(duì)金屬P雜質(zhì)的去除規(guī)律與B相似：增大渣金比,有利于P的去除。當(dāng)渣金比為5時(shí),P由初始的27.78ppmw降至2.46ppmw,去除率達(dá)到了90%以上,能夠?qū)崿F(xiàn)P和B的同步去除。P的去除率呈現(xiàn)出兩個(gè)明顯不同的階段,第一階段為精煉前30min,該階段對(duì)硅中P提純效率較高,P的去除率達(dá)到了87.5%。第二階段為精煉30min后,由于反應(yīng)和傳質(zhì)的推動(dòng)力下降,此時(shí)繼續(xù)延長精煉時(shí)間P的提純效率增加緩慢。在一定范圍內(nèi),減小平衡渣中的(CaO+Al2O3)/SiO2值,對(duì)P的提純有利,在(CaO+Al2O3)/SiO2值為1.24附近P的去除率最高達(dá)到了94.24%。(4) Al-Si合金熔渣精煉后樣品中金屬雜質(zhì)在硅晶界處出現(xiàn)了高度的富集,精煉后經(jīng)酸洗處理,金屬雜質(zhì)Fe、Ca、Ti的去除率分別達(dá)到了92.84%、76.07%、96.20%。對(duì)這些雜質(zhì)相形式進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)主要以Ca-Si-Al基的雜質(zhì)相為主。(5)電場(chǎng)強(qiáng)化Al-Si合金熔渣精煉過程中隨電壓增大,硅中硼含量呈下降趨勢(shì),電壓為3V下,隨精煉時(shí)間延長,單位時(shí)間內(nèi)的除硼速率呈現(xiàn)出三個(gè)不同的階段：精煉前10min、10min-60min和60min-120min,其對(duì)應(yīng)的硼的去除速率分別為17.77 (ppmw/min)、 1.95 (ppmw/min)和0.07 (ppmw/min)。電壓為6V時(shí),硼含量降至26.75ppmw,相比于OV電壓時(shí)硅中硼含量多下降了20%。(6)首次采用循環(huán)伏安法對(duì)電場(chǎng)強(qiáng)化熔渣精煉體系中陰陽極反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行了探索與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。得到了電場(chǎng)作用下陰陽極的反應(yīng)方程式如下：陽極反應(yīng)：B+3O2-=(BO3-)+3e-；陰極反應(yīng)：Si4++4e-=Si
【關(guān)鍵詞】：太陽能級(jí)硅 鋁硅合金 復(fù)合熔劑精煉 提純 電場(chǎng)強(qiáng)化
【學(xué)位授予單位】：昆明理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TN304.12
【目錄】：

• 摘要6-8
• Abstract8-13
• 第一章 緒論13-29
• 1.1 研究背景13-14
• 1.2 雜質(zhì)對(duì)太陽能電池性能的影響14-15
• 1.3 太陽能級(jí)多晶硅材料的制備技術(shù)15-17
• 1.3.1 化學(xué)法15-17
• 1.3.2 冶金法17
• 1.4 冶金法制備太陽能級(jí)多晶硅技術(shù)17-22
• 1.5 冶金法去除雜質(zhì)的問題和難點(diǎn)22-23
• 1.6 復(fù)合熔劑精煉工藝制備技術(shù)23-26
• 1.6.1 常規(guī)復(fù)合熔劑精煉工藝23-24
• 1.6.2 外場(chǎng)強(qiáng)化方式24-26
• 1.6.3 復(fù)合熔劑精煉存在的問題26
• 1.7 研究課題的提出目的、內(nèi)容及方案26-29
• 第二章 Al-Si合金熔渣精煉過程中元素B和Al遷移與分配的研究29-49
• 2.1 引言29
• 2.2 熱力學(xué)可行性分析29-32
• 2.3 實(shí)驗(yàn)部分32-36
• 2.3.1 實(shí)驗(yàn)原料與試劑32
• 2.3.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與分析儀器32-33
• 2.3.3 分析測(cè)試方法33
• 2.3.4 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備33-35
• 2.3.5 Al-Si合金熔渣精煉實(shí)驗(yàn)方法35
• 2.3.6 物理量定義及數(shù)據(jù)處理35-36
• 2.4 不同精煉參數(shù)對(duì)元素B和Al在渣金兩相間遷移與分配的影響36-43
• 2.4.1 渣金比對(duì)Al、B元素遷移分配的影響36-38
• 2.4.2 精煉時(shí)間對(duì)Al、B元素遷移分配的影響38-41
• 2.4.3 鋁元素遷移對(duì)硼元素遷移的影響41-43
• 2.5 元素鋁和硼遷移過程表征及機(jī)理分析43-45
• 2.6 渣金以及硅金的分離評(píng)價(jià)45-46
• 2.7 小結(jié)46-49
• 第三章 Al-Si合金熔渣精煉對(duì)硅中其它典型雜質(zhì)元素的去除影響49-59
• 3.1 引言49
• 3.2 實(shí)驗(yàn)部分49
• 3.3 Al-Si合金熔渣精煉對(duì)非金屬雜質(zhì)P的去除效果49-52
• 3.3.1 渣金比對(duì)P去除效果的影響49-50
• 3.3.2 精煉時(shí)間對(duì)P去除效果的影響50-51
• 3.3.3 渣組成對(duì)P去除效果的影響51-52
• 3.4 Al-Si合金熔渣精煉對(duì)金屬雜質(zhì)Fe、Ca、Ti的去除效果52-57
• 3.4.1 合金精煉對(duì)硅中Fe、Ca、Ti的去除影響52-54
• 3.4.2 精煉硅中金屬雜質(zhì)的分布規(guī)律以及相分析54-56
• 3.4.3 金屬雜質(zhì)去除過程的行為與機(jī)理分析56-57
• 3.5 小結(jié)57-59
• 第四章 電場(chǎng)強(qiáng)化Al-Si合金熔渣精煉除硼的研究59-71
• 4.1 引言59-60
• 4.2 陰陽極反應(yīng)機(jī)理研究60-63
• 4.2.1 實(shí)驗(yàn)部分60-61
• 4.2.2 陰極反應(yīng)機(jī)理研究61-62
• 4.2.3 陽極反應(yīng)機(jī)理研究62-63
• 4.2.4 電場(chǎng)強(qiáng)化除硼反應(yīng)機(jī)理63
• 4.3 電壓和精煉時(shí)間對(duì)精煉效果的影響63-69
• 4.3.1 實(shí)驗(yàn)部分63-65
• 4.3.2 樣品表征65
• 4.3.3 電壓對(duì)除硼的影響65-66
• 4.3.4 精煉時(shí)間對(duì)除硼的影響66-69
• 4.4 小結(jié)69-71
• 第五章 結(jié)論與展望71-73
• 5.1 結(jié)論71-72
• 5.2 展望72-73
• 致謝73-75
• 參考文獻(xiàn)75-81
• 附錄 攻讀學(xué)位期間研究成果81

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本文編號(hào)：742397