超冶金级硅的制备研究

超冶金级硅的制备研究太阳能是一种取之不尽用之不竭的能源,目前太阳能电池每年以30%的速度增长。太阳能电池目前主要是采用电子级硅为原料生产,然而电子级硅材料在生产过程中存在高能耗、高污染、高成本等问题,为了快速健康地发展太阳能电池产业,必须寻找一条不依赖现有电子级硅工艺的低成本新工艺。作者所在的课题组根据冶金级硅中杂质的分布特点提出了采用真空冶金综合法——由冶金级硅经超冶金级硅直接制备太阳能级多晶硅的新工艺。此工艺不依赖于现有传统的Siemens方法,而且具有低成本、低能耗、低环境成本等特点。在此新工艺中,湿法预处理是一个很重要的过程：一方面,它能够彻底去除冶金级硅中大部分的金属杂质,降低后续真空熔炼过程的难度；另一方面,它是一个杂质混匀的过程,此过程也有利于杂质在后续真空熔炼过程中有效的去除。本论文以云南省某工业硅厂生产出来的产品为代表研究冶金级硅中杂质分布的特点,并提出了冶金级硅湿法预处理去除金属杂质的新工艺,并进行了较系统研究。(1)利用电子扫描电镜分析了冶金级硅锭的不同位置的杂质分布。分析结果表明冶金级硅中的杂质在冷凝过程中出现了严重的偏析现象,它们主要以小颗粒状的杂质团随机分布在硅锭的边缘位置,而处在硅锭中间位置的杂质主要沉积在硅锭的晶界部位而形成一条条狭长的杂质带,或以大颗粒状的杂质团分布在硅锭中部。通过增加硅锭厚度,缩小铸锭面积,加快浇注速度等手段,可以使更多的杂质有足够的时间扩散到中心位置形成大颗粒杂质团,以有利于杂质与酸溶液发生反应而被去除。(2)杂质Al在冶金级硅锭冷却时没有形成新相,而是以金属相沉积在冶金级硅的晶界部位或以杂质团随机分布于冶金级硅锭中。随着pH值的不断减小,即盐酸溶液浓度的不断增加,溶液中[Fe2+]的溶解度在不断增加,溶液中[Al3+]也不断增加。(3)研究了常压浸出过程浸出剂种类及其浓度、硅粉粒度、反应温度、反应时间、液固比等多种因素对冶金级硅中杂质Fe、Al去除效率的影响。实验确定最佳的浸出工艺条件为：盐酸浓度6mol/L,硅粉粒度≤50μm,反应温度60℃,反应时间3天,液固比2：1。在此反应条件下浸出,杂质Fe的去除效率超过了70%,杂质Al的去除效率为60%左右,规模为5kg的实验研究具有较好的重现性。(4)研究了高压浸出过程盐酸浓度、硅粉粒度、反应温度、反应压强、液固比、反应时间等多种因素对冶金级硅中杂质Fe、Al、Ca、Ti等元素去除效率的影响。实验确定的最佳工艺条件为：硅粉粒度≤50μm,反应温度150-160℃,反应压强1.5-1.6MPa,盐酸浓度4mol/L,液固比4：1,保温时间2小时。在此最佳反应条件下,杂质Fe的去除效率超过80%,杂质Al的去除效率达到75%,杂质Ca的去除效率达到90%。而高压浸出对冶金级硅中杂质Ti的去除效果不佳。多次重现性实验研究发现,高压浸出处理后的冶金级硅中杂质Fe、Al、Ca的残余量分别小于290ppmw、295ppmw、30ppmw。超冶金级硅的纯度可达99.95%。(5)研究了冶金级硅高压浸出动力学,建立了硅粉粒度、反应压强、反应温度和盐酸浓度对杂质Fe、Al去除效率影响的动力学方程。计算了Fe、Al的表观活化能分别为EaFe=46.908kJ/mol,EaAl=34.067kJ/mol,表明Fe、Al在高压浸出过程中均受混合控制。Fe、Al的表观反应级数分别为0.899、0.346。最终建立了冶金级硅粉在高压浸出时去除Fe、Al的动力学模型：以80个实验结果分别验证此动力学模型,吻合甚好