電子束熔煉提純多晶硅中熱量傳輸和能量利用的研究.pdf

1、經(jīng)濟(jì)的大發(fā)展使社會生產(chǎn)對能源供應(yīng)能力的要求越來越高，隨著常規(guī)能源的衰落，作為新能源的代表太陽能光伏產(chǎn)業(yè)無疑擁有著無可比擬的發(fā)展前景。多晶硅作為光伏產(chǎn)業(yè)中關(guān)鍵功能性材料主要來自于半導(dǎo)體行業(yè)的返回料或由西門子法制備。由于西門子法高成本、高污染、周期長和易燃易爆等弊端，致使傳統(tǒng)的太陽能原料供應(yīng)體系難以滿足產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需求，這種供應(yīng)力不足極大制約了光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。因而研發(fā)探索制備太陽能級硅的全新工藝方法勢在必行。由于冶金法具有低能耗、低成本和綠色

2、生產(chǎn)等特點(diǎn)，已成為硅材料領(lǐng)域技術(shù)突破的焦點(diǎn)。冶金法結(jié)合了定向凝固、電子束熔煉、酸洗、合金化和造渣等多種技術(shù)，能夠在不改變硅材料物質(zhì)性質(zhì)的前提下，根據(jù)硅中雜質(zhì)元素的特征，采用不同的技術(shù)去除硅材料中的磷、硼和金屬等雜質(zhì)。電子束熔煉因其具有高溫、高真空度、高熱流密度等特點(diǎn)，是冶金法中一種重要的除雜技術(shù)，其主要是用于硅中蒸發(fā)性雜質(zhì)元素的去除。目前由于電子束設(shè)備的高能耗，限制了其應(yīng)用空間。為了最終能夠達(dá)到高效率低能耗通過電子束去除蒸發(fā)性雜質(zhì)的目的

3、，本研究針對電子束熔煉過程中的溫度場和雜質(zhì)去除機(jī)理兩方面優(yōu)化了熔煉工藝。
　　本研究結(jié)合能量傳輸對電子束熔煉時(shí)硅熔體的溫度場進(jìn)行分析。并從實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算的方面對電子束熔煉提純多晶硅的工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。研究結(jié)果表明:電子束熔煉提純多晶硅的過程中硅和水冷銅坩堝之間存在接觸熱阻，接觸熱阻值在0.06～0.22m2kW-1范圍內(nèi)變化，基于影響硅熔體溫度場的硅-銅接觸熱阻被計(jì)算，精確的獲得了電子束熔煉中硅熔體的溫度場。硅熔體的溫度場計(jì)算表

4、明，硅熔體內(nèi)部和表面存在很大的溫度梯度，尤其是熔池表面，溫度梯度更為明顯，在馬蘭戈尼效應(yīng)的作用下，硅熔體內(nèi)部和表面存在一定的流動。熔體流動和熔體表面的溫度梯度有關(guān)，溫度梯度越大，熔體的流動越劇烈，越有助于雜質(zhì)的去除。電子束設(shè)備的高能耗使其不能被廣泛應(yīng)用，本研究從能耗的角度對電子束熔煉的能耗進(jìn)行了理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)檢測，通過對比不同參數(shù)下的能耗，對熔煉參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，優(yōu)化結(jié)果表明:在現(xiàn)有的電子束熔煉設(shè)備中，對0.5kg硅材料進(jìn)行熔煉，掃描半徑