用碳化稻殼電熱冶金法制備低硼、磷高品質(zhì)硅的研究.pdf

1、太陽(yáng)能具有資源無(wú)限、清潔環(huán)保、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，是人類解決能源短缺和環(huán)境問(wèn)題的重要能源。硅材料是太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)材料，但傳統(tǒng)的太陽(yáng)能級(jí)多晶硅制備方法如西門子法、硅烷法等，成本高，污染大，制約了光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。因此，研發(fā)出生產(chǎn)成本低，能耗小，環(huán)境友好型的太陽(yáng)能級(jí)多晶硅制備新工藝成為關(guān)鍵。冶金法制備太陽(yáng)能級(jí)多晶硅具有成本低、能耗小和生產(chǎn)相對(duì)安全的特點(diǎn)，最有可能替代傳統(tǒng)的制備工藝。
　　冶金法制備太陽(yáng)能級(jí)多晶硅的關(guān)鍵難點(diǎn)是硅中硼和磷雜

2、質(zhì)的去除，因?yàn)?，?dāng)硅中同時(shí)摻有硼和磷，就不能形成“P-N結(jié)”，也就無(wú)法完成光電的轉(zhuǎn)換過(guò)程，所以要首先制備出低硼、磷的高品質(zhì)硅。所謂低硼、磷高品質(zhì)硅就是硅的純度達(dá)到冶金級(jí)硅標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)硼、磷等雜質(zhì)的含量較低，以這種硅為原料再經(jīng)過(guò)定向凝固等處理就可制得太陽(yáng)能級(jí)多晶硅。碳化稻殼既含有碳，也含有二氧化硅，而且其薄片網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)利于除雜提純，是制備低硼、磷高品質(zhì)硅的理想原料。本論文的總體思路是:將冶金硅和多晶硅的制備相結(jié)合，從源頭上即煉硅原料開始就控制

3、雜質(zhì)含量（特別是硼和磷），用除雜提純后的碳化稻殼和高純石英砂為原料電熱冶金法制備低硼、磷高品質(zhì)硅，為后續(xù)制備太陽(yáng)能級(jí)多晶硅奠定基礎(chǔ)。本論文主要內(nèi)容及結(jié)論如下：
　　(1)碳化稻殼的物性分析及除雜提純研究。運(yùn)用XRF、XRD、SEM和ICP-AES等檢測(cè)手段對(duì)碳化稻殼進(jìn)行了物性分析，碳化稻殼主要成分為C和SiO2，分別占51.44％和27.15％;碳化稻殼的結(jié)構(gòu)呈疏松的蜂窩狀;得到了碳化稻殼的熱重曲線，確定其燃點(diǎn)在350℃左右，燃燒

4、溫度區(qū)間為500℃～600℃。對(duì)碳化稻殼進(jìn)行了酸洗除雜研究和超聲酸洗除雜研究。酸洗結(jié)果為:選擇碳化稻殼粒徑在100μm以下，鹽酸濃度為5wt％，水浴溫度為60℃，反應(yīng)時(shí)間為8h，固液比為1:5作為最佳酸洗條件時(shí)，碳化稻殼中Fe元素的去除率達(dá)到92.33％，P元素的去除率達(dá)到79.10％，B元素的去除率達(dá)到27.64％，金屬元素的總?cè)コ蔬_(dá)到82.08％，非金屬元素的總?cè)コ蔬_(dá)到79.61％。超聲酸洗結(jié)果為:選擇碳化稻殼粒徑在100μm以

5、下，鹽酸濃度為5wt％，水浴溫度為60℃，固液比為1:5，超聲功率為300W，超聲頻率為45kHz、超聲時(shí)間為35min作為最佳超聲酸洗條件時(shí)，碳化稻殼中Fe元素的去除率達(dá)到98.29％，P元素的去除率達(dá)到91.25％，B元素的去除率達(dá)到99.95％，金屬元素的總?cè)コ蔬_(dá)到96.15％，非金屬元素的總?cè)コ蔬_(dá)到91.72％。
　　(2)球團(tuán)制備及球團(tuán)性能的研究。原料的配比為:石英砂:碳化稻殼:粘結(jié)劑:水=100:100.47:2.

6、02:24.30;考察了制團(tuán)壓力、粘結(jié)劑加入量和配水量三個(gè)因素對(duì)生球團(tuán)抗壓強(qiáng)度和氣孔率的影響，確定了最優(yōu)制團(tuán)條件:制團(tuán)壓力為40MPa，粘結(jié)劑加入量為1％，配水量為12％。在此條件下制得的生球團(tuán)晾干后，抗壓強(qiáng)度為6.41 MPa，氣孔率為35.77％;研究了焙燒條件下球團(tuán)電阻率的變化，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，常溫下球團(tuán)是電的不良導(dǎo)體，隨著溫度升高和保溫時(shí)間的增大，球團(tuán)的導(dǎo)電性增強(qiáng)，但電阻率仍然很大，球團(tuán)的這種特性能夠滿足礦熱爐生產(chǎn)對(duì)原料的要求。<

7、br>　　(3)電熱冶金法制備硅過(guò)程中熱力學(xué)分析。對(duì)Si-C-O體系的熱力學(xué)進(jìn)行了分析和相關(guān)計(jì)算，計(jì)算了各反應(yīng)發(fā)生的最低反應(yīng)溫度，同時(shí)又通過(guò)HSC軟件進(jìn)行了對(duì)比計(jì)算。
　　(4)電熱冶金法制備低硼、磷高品質(zhì)硅。2次礦熱爐開爐實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，利用提純后的碳化稻殼和高純石英砂混合粉體原料熔煉硅是可行的，且得到了低硼、磷的高品質(zhì)硅。硅的純度達(dá)到了99.350％，同時(shí)硅中的雜質(zhì)含量得到了控制，其中P為24ppmw，B為16ppmw均低于現(xiàn)有