冶金硅造渣精炼制备太阳级硅研究进展

清洁可再生能源是解决未来能源短缺的重要途经,晶体硅光伏电池因其清洁、无污染的特点被广泛应用。太阳级硅(SOG-Si)要求硅的纯度达到99.9999%,如何研发高纯硅的低成本高效制备工艺是目前产学研界共同研究的热点和难点。由于造渣精炼法具有成本低,能耗低,设备简易,易于工业化生产等特点,被认为是冶金法制备太阳级硅的重要方法之一。本文系统回顾了近年来造渣精炼法提纯冶金硅的研究进展,对比分析二元渣系、多元渣系、合金−渣体系的除杂效果及机制,为研究人员研究造渣精炼法SOG-Si提供理论指导。

石英砂磁选—酸洗除铁机理研究

为了提高石英砂的杂质去除率,采用磁选加混酸酸洗工艺,并研究了酸洗反应动力学模型,对石英砂酸浸除杂进行理论指导。试验结果表明,铁去除率随着粒径减小而增大,150~180μm石英砂磁选效果最好。通过研究不同酸洗组合,发现混酸(硝酸+盐酸+氢氟酸)对铁的去除效果最好;使用混酸(V_酸∶V_水=1∶1),90℃水浴反应360 min,石英砂中铁去除率可达88.3%,铁杂质含量降为24.76μg/g,达到了精制石英砂的纯度要求。利用液固多相未反应核模型拟合发现,石英砂的酸洗过程控速步骤为产物内扩散控制,计算得出反应激活能Ea=51.73 k J/mol。

石英砂高温焙烧-酸洗除铁动力学研究

采用高温焙烧-酸洗方法除石英砂Fe杂质,实验结果表明,900℃焙烧最佳时间为180 min;焙烧后90℃水浴混酸酸洗360 min,石英砂中Fe去除率可达88.3%,Fe杂质含量降为34.61μg/g。通过扫描电子显微镜(SEM)表征该方法处理前后石英砂形貌,结果表明处理后石英砂表面出现明显裂纹和蚀坑,有助于酸液浸入颗粒内部,提高Fe去除率。利用收缩未反应芯模型对实验数据拟合,该酸洗反应控速步骤为产物内扩散控制,焙烧处理后酸洗反应更快,Fe去除率更高,活化能更低。经900℃焙烧,保温180 min处理石英砂,酸洗反应的活化能是30.88 k J/mol,未焙烧酸洗反应活化能为36.18 k J/mol,焙烧后酸洗反应活化能下降了17.2%,说明焙烧处理有利于石英砂的酸洗。

石英砂ICP-OES测试溶样方法对比研究:酸溶法和碱熔法

石英砂的ICP-OES测试制样方法分为酸溶法和碱熔法。酸溶法消解缺乏统一的流程,实验中常存在消解不完全、微量元素测定不准确的问题;碱熔融法操作繁琐,容易引入杂质。探明此两种制样方法对石英砂ICP-OES测试结果的影响很有意义。分析对比了酸溶法和碱熔法对石英砂中Al、Zr、Mg等杂质元素检测结果的影响,由能谱分析可知,酸溶法中不溶颗粒相主要成分是F、Al、Zr、Si和Mg杂质元素。实验结果表明,酸溶法制样会造成石英砂中Al、Zr和Mg杂质含量低于实际值,实验偏差大。碱熔法制样测得Al、Zr、Mg杂质含量明显高于酸溶法,经加标回收实验可知,碱熔法实验的回收率介于93.6%~116.3%之间,符合检测要求,但碱熔法存在检测限高、相对偏差较大的缺点。

Mechanism of boron removal from Si-Al melt by Ar-H_2 gas mixtures

A new method about purification of metallurgical grade silicon （MG-Si） by a combination of Si-Al solvent refining andgas blowing treatment was proposed. The morphologies and transformation of impurity phases, especially for boron and iron in Si-Al melt were investigated during Ar-H2 gas blowing treatment. The mechanism of boron removal was discussed. The resultsindicate that gas blowing can refine grain size and increase nucleation of the primary Si. Boron can be effectively removed fromMG-Si using the Ar-H2 gas blowing technique during the Si-Al solvent refining. Compared with the sample without gas blowing,the removal efficiency of boron increases from 45.83% to 74.73% after 2.5 h gas blowing. The main impurity phases containingboron are in the form of TiB2, AlB2 and VB compounds and iron-containing one is in the form of β-Al5FeSi intermetallic compound.Part of boron combines [H] to transform into gas BxHy （BH, BH2） and diffuses towards the surface of the melt and is volatilized byAr-H2 gas blowing treatment under electromagnetic stirring.

微合金化在晶体硅太阳电池中应用的研究进展

在硅晶体中利用微合金化来获取性能优良的晶硅电池是其未来发展的重要方向。微合金化过程中,在硅中加入其它元素,带来硅晶体晶格畸变而易捕获空位,增加氧沉淀浓度、减少间隙氧含量,能抑制B-O复合体形成,从而改善硅晶体机械强度、提高少子寿命以及提高晶硅电池光电转化效率、抑制光致衰减效应。重点分析了Si-Ge、Si-Ga、Si-Sn、Si-Al和Si-In微合金化在晶体硅太阳能电池中的应用,通过微合金化能够满足人们对高质量晶硅电池的要求。掌握微合金化对晶硅电池性能影响的机理,并将其运用于实际生产中是目前急需解决的问题。

掺Sn改善UMG-Si铸锭中铁对少子寿命的影响作用

为削弱有害杂质元素Fe对多晶硅性能的影响,采用Si-Sn微合金化的途径,研究Sn对不同Fe污染程度时提纯多晶硅(UMG-Si)定向凝固后少子寿命的变化。掺入30ppmw或100ppmw Fe杂质后,在Sn元素含量分别为0ppmw、15ppmw、30ppmw、50ppmw时,测试定向凝固多晶硅少子寿命变化。随着Fe含量增加硅锭少子寿命减少,初始杂质Fe含量为0ppmw、30ppmw、100ppmw时,硅锭中部平均少子寿命分别为0.81μs、0.52μs和0.40μs。掺入适量的Sn元素,能有效削弱杂质Fe的危害,提高少子寿命。当初始Fe含量为30ppmw时,掺入Sn为15ppmw、30ppmw后,硅锭中部平均少子寿命提高23%、25%。当Fe含量为100ppmw时,掺入Sn含量为15ppmw、30ppmw、50ppmw后,少子寿命可提高40%、50%、40%。原子半径比Si大的Sn原子引入晶格应力,抑制间隙原子Fe成核、阻碍Fe扩散,有效减少杂质Fe的危害。

花岗伟晶岩制备高纯石英砂可行性研究

我国高纯石英砂主要依赖进口,生产能力不足是急需解决的问题。参照国际上采用花岗伟晶岩能够提取最高质量石英砂的情况,研究了采用河南某地花岗伟晶岩为原料制备高纯石英砂的可行性。为了获得高纯石英砂,在工艺矿物学研究的基础上,按照原矿→粗碎→煅烧水淬→磨矿制砂→磁选→浮选→酸浸流程处理样品,在合适的试验条件下可以获得纯度为4N5以上的高纯石英砂。通过光学显微镜和XRD分析,发现花岗伟晶岩制备的高纯石英砂与尤尼明石英砂矿物学结构与包裹体形态相似,并且气液包裹体含量比用脉石英制备的石英砂显著降低。