本文關(guān)鍵詞：電子束熔煉去除硅中氧、碳及其化合物的研究

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【摘要】：隨著能源危機(jī)、環(huán)境問題的不斷加劇,世界各國對可再生能源進(jìn)行了大量的研究。太陽能以其環(huán)保、高儲量、安全及潛在的經(jīng)濟(jì)性成為大家所關(guān)注的焦點(diǎn)。光伏發(fā)電是太陽能利用的主要形式,而鑄造多晶硅是應(yīng)用最廣泛的太陽能電池基體材料,探索建立低成本、低能耗的多晶硅制備技術(shù)是促進(jìn)光伏產(chǎn)業(yè)可持續(xù)性發(fā)展的重要途徑之一。鑄造多晶硅以高純硅為原材料,但在鑄造過程中,處在高溫狀態(tài)下的硅熔體及硅蒸氣,不可避免地與石英坩堝和石墨發(fā)熱體、石墨支撐材料發(fā)生反應(yīng),使大量的氧元素、碳元素通過擴(kuò)散、對流等方式進(jìn)入熔體中。當(dāng)硅完全凝固后,這些雜質(zhì)以固溶或沉淀的形式分布在多晶硅鑄錠的頂部、底部和側(cè)面,嚴(yán)重影響了材料的電學(xué)性能,因此不能被直接用于制備太陽能電池。這部分材料占整個鑄錠的30%以上,傳統(tǒng)的回收再利用方法是：將高氧區(qū)域的材料與高純硅料混合鑄錠,然而這種方法并未將氧雜質(zhì)去除,造成了光電轉(zhuǎn)換效率的衰減；將高碳區(qū)域的材料經(jīng)過一次定向凝固后再繼續(xù)使用,這種方法效率較低、成本較高。因此,急需開發(fā)高效、低成本的回收再利用方法。本論文針對多晶硅鑄錠側(cè)部和底部高氧濃度區(qū)和頂部高碳濃度區(qū)無法高效、低成本回收利用的問題,結(jié)合電子束熔煉技術(shù)的特點(diǎn)和氧、碳雜質(zhì)在硅中的特性將其去除,實(shí)現(xiàn)這部分硅材料的回收和再利用。其中,對于高氧雜質(zhì)區(qū)域,利用電子束熔煉高溫、高真空度的特點(diǎn)將氧雜質(zhì)從硅熔體中蒸發(fā)去除,獲得了氧在特定參數(shù)下的去除率以及蒸發(fā)速率。同時(shí),將電子束處理后的硅料與高純硅料按照比例混合獲得多晶硅鑄錠,評價(jià)了鑄錠的性能,并與傳統(tǒng)方式獲得的鑄錠進(jìn)行了比較。對于高碳雜質(zhì)區(qū)域,利用電子束熔煉過程中熔體內(nèi)部溫度梯度較大的特點(diǎn),使碳元素在低溫區(qū)析出并沉積,解釋了這種現(xiàn)象產(chǎn)生的機(jī)制。主要得到以下結(jié)論：(1)在相同熔煉功率下,硅中氧濃度隨熔煉時(shí)間的增加而降低,隨時(shí)間的進(jìn)一步延長逐漸趨于水平。使用15kW的電子束功率熔煉時(shí),當(dāng)熔煉時(shí)間逐漸增加到600s時(shí),氧含量降低到低于0.0571ppmw,去除率達(dá)到99.08%。通過對氧雜質(zhì)蒸發(fā)動力學(xué)的分析,其蒸發(fā)去除的速率常數(shù)為1.10×10-5kg/s,比相同熔煉條件下的磷、鋁和鈣的去除速率更快。在熔煉過程中,硅基體的蒸發(fā)損失非常小,在氧被去除到目標(biāo)值后,硅的損失率僅為1.7%,證明電子束熔煉是一種去除硅中氧雜質(zhì)的非常有效的方法,并且可以減小硅的損失。(2)在產(chǎn)業(yè)化電子束熔煉設(shè)備上實(shí)現(xiàn)除氧過程,當(dāng)電子束功率為500kW時(shí),熔煉30min后氧含量從10ppmw降低到小于0.0571ppmw,去除率達(dá)到99.429%。但是,在鑄錠底部,氧并未被去除到這種程度,其含量為0.12ppmwo這是由于在凝固過程中氧在固液界面的分凝和在氣液界面的蒸發(fā)的耦合作用形成的。電子束再生精煉后的硅料制備的多晶硅鑄錠,與傳統(tǒng)方法相比,兩者少子壽命的平均值相同,但是再生多晶硅鑄錠的中部區(qū)域的少子壽命要遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于未再生的鑄錠。兩者的光電轉(zhuǎn)換效率在初始時(shí)都為17.55%。4小時(shí)后,其效率分別降低到17.05%和15.775%,再生多晶硅的衰減更小。(3)高碳濃度的多晶硅料,使用電子束熔煉后SiC被富集在鑄錠的邊緣,而中心部位碳含量降低,原因是電子束熔煉下熔體中存在極大的溫度梯度,靠近水冷銅的部分溫度低、流動性差,硅中的碳元素隨熔體流動到該區(qū)域后在此析出并聚集,從而被分離。電子束熔煉分離硅中碳化物夾雜的技術(shù)被應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中,熔煉完成后坩堝中的熔體被傾倒進(jìn)入凝固坩堝中。結(jié)果表明,大部分SiC被保留在熔煉坩堝中,凝固坩堝中鑄錠中部的大部分區(qū)域已無SiC析出。
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TN304.12

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