冶金法制备太阳能级多晶硅研究现状及发展趋势

冶金法是我国走出硅原料依赖,发展低成本、环境友好的太阳能级多晶硅制备技术的必经之路,冶金法自诞生以来在世界范围内经历了三次研究高潮,第三次正是在以我国科研和产业工作者为主导和推动下发展的,并形成了大量有益的科学结论和实践经验。本文从冶金法的界定开始,详细分析了冶金法提纯的理论基础,饱和蒸汽压机理、偏析机理和氧化性差异机理,介绍了以上机理所衍生出的技术方法及进展,并对冶金法的发展前景进行了展望。

冶金法制备太阳能级多晶硅的耦合除杂研究

以工业硅为原料,利用介质熔炼、定向凝固和电子束熔炼三种熔体处理技术对工业硅中的B、P和金属杂质进行了去除,制备出了99.9999%级多晶硅材料,其中,杂质B和P的含量分别低于0.20 ppmw(parts per million(weight),百万分之一质量),金属杂质总含量(TM)低于0.23 ppmw。研究发现,介质熔炼去除杂质B的过程中,熔体中发生氧化还原反应可以有效去除大部分的杂质Al和Ca;电子束熔炼过程中,利用饱和蒸气压原理可以有效去除挥发性杂质P、Al、Ca,同时降束诱导多晶硅定向凝固,可将其他金属杂质进一步去除。本研究通过各技术间的耦合除杂,减少了冶金法提纯多晶硅的工序,为连续化、规模化生产提供了技术支撑。

电子束熔炼制备太阳能级多晶硅的研究现状与发展趋势

电子束熔炼具有高能量密度、高真空度等优点,能够有效地去除硅中的挥发性杂质,使其在制备太阳能级多晶硅材料方面具有巨大的优势和广阔的应用前景,目前已经实现了产业化应用,成为冶金法制备太阳能级硅材料的关键环节之一。本文在阐述挥发性杂质去除的热力学原理的基础上,对其去除效果和去除机制进行了总结。同时,针对电子束熔炼技术目前存在的问题,结合作者在这些方面的探索,从数值模拟、节能型熔炼方式以及与定向凝固技术的耦合等角度对现阶段的研究重点进行了综述,并对其未来的发展趋势进行了展望。

太阳能级硅中轻质元素(C,N,O)研究进展

C,N,O等轻质元素的存在对太阳能级晶体硅材料的性能有着广泛影响,而硅材料作为太阳能电池的主要原材料,其纯度对电池的电学性能有着决定性作用。本文总结了晶体硅中C,N,O元素的存在形态、分布规律、形成机制及工艺控制等的研究进展,并对未来硅中轻质元素的研究进行了展望,使用各种提纯工艺的优势交叉互补来控制及去除硅中的杂质值得研究及关注,对硅中C,N,O元素的交互作用的深入研究也将会对硅材料质量的提高有着积极作用。

多晶硅定向凝固过程中固-液界面特性研究

通过真空感应熔炼炉以不同拉锭速率制备了多晶硅铸锭,通过对铸锭的金相组织及少子寿命随凝固高度的变化及径向分布的分析,研究了多晶硅定向凝固过程中的固-液界面特性。结果表明:少子寿命随生长高度的增加先增加后减少,其径向分布与固-液界面相对应。由少子寿命分布图可以看出,固-液界面的曲率随拉锭速率的减小而减小,固-液界面形貌为胞状界面。计算分析表明,胞状的固-液界面造成Fe杂质的有效分凝系数增加了3个量级以上。

电子束熔炼Inconel 740合金不同热处理状态下的组织演变与显微硬度

利用电子束熔炼技术制备Inconel 740合金,研究热处理状态下合金的组织演变过程与显微硬度的分布情况,分析热处理过程中合金相析出规律与相分布特点。结果表明:合金宏观组织良好,夹杂物含量较少,晶粒尺寸在2mm左右。标准热处理后的组织主要为奥氏体,并有大量孪晶,晶界上碳化物M23C6呈连续分布,同时也有G相和η相析出。晶内析出大量球形、尺寸大小约为30nm的强化相γ′。电子束熔炼制备的Inconel 740合金在标准热处理状态下的显微硬度明显高于传统方法制备的同种合金,约高120HV0.1。

电子束技术在高温合金中的应用

作为近年发展起来的先进加工技术,电子束技术具有高能量密度、高真空度、可实现精确控制等优点,其在高温合金中的应用已受到广泛关注。本文对电子束技术在高温合金的制备以及加工领域的研究与应用进行了综述,包括高温合金的电子束成型制造、高温合金的电子束精炼、电子束焊接、表面改性以及高温合金的电子束物理气相沉积,指出了目前电子束技术面临的挑战,并对电子束技术在高温合金领域的发展前景进行了展望。

电子束熔炼去除冶金级硅中磷、铝、钙的研究

采用电子束熔炼方法提纯了冶金级硅材料。实验结果表明随熔炼时间延长,硅中挥发性杂质元素P、Al、Ca的含量逐渐降低。熔炼40min后,硅中P含量可以降至2.2×10-5%(质量分数);Al、Ca的最低含量为8.5×10-5%和1.5×10-4%(质量分数)。P、Al、Ca的挥发去除为一阶反应过程,反应速率常数分别为0.11、0.12和0.13min-1。

多晶硅铸锭中碳、氮、氧杂质特性的研究进展

在多晶硅铸锭生产过程中不可避免地会引入碳、氮、氧杂质元素,这些杂质会形成沉淀、复合体等缺陷,成为少数载流子的复合中心,缩短硅的少子寿命,从而降低硅片的太阳能转换效率。因此控制和降低铸锭中这3种杂质元素的含量对提高铸锭的性能和降低生产成本具有重要意义。阐述了碳、氮、氧元素的来源、分布,着重综述了铸锭中3种杂质元素的存在形态及不同形态对铸锭的影响,总结了降低3种杂质元素含量的方法,指出了目前研究的问题,并对铸锭中这3种杂质元素的研究趋势进行了展望。

隔热材料研究现状及发展趋势

隔热材料由于其独特的性能和用途,引起了学者的广泛关注。综述了隔热材料的基本情况,重点介绍了几种新型隔热材料的特点、研究现状及应用,并在此基础上,综合分析了隔热材料未来发展的主要趋势。

高比能量锂离子电池硅基负极材料研究进展

硅的理论嵌锂比容量是石墨材料比容量的十倍以上,脱锂电位低,资源丰富,倍率特性较好,故高比能量的硅基材料成为了电动汽车?可再生能源储能系统等领域的研究热点?但由于其在脱嵌锂过程中巨大的体积膨胀效应会导致硅电极材料粉化和结构崩塌,并且在电解液中硅表面重复形成的固相电解质层(SEI)使极化增大?库伦效率降低,最终导致电化学性能的恶化?为了解决上述问题,加快实现硅基电极的商业化应用,本文系统总结了通过硅基材料的选择和结构设计来解决充放电过程中体积效应的工作,并深入分析和讨论了具有代表性的硅基复合材料的制备方法?电化学性能和相应机理,重点介绍了硅碳复合材料和SiOx(0<x≤2)基复合材料?最后对硅基负极材料存在的问题进行了分析,并展望了其研究前景?

电子束技术在冶金精炼领域中的研究现状和发展趋势

电子束技术具有高能量密度、高真空度的优点,并且能够实现精确控制,成为目前熔炼提纯太阳能级多晶硅、精炼高熔点金属及其合金以及制备高纯特殊钢和超洁净钢的有效手段。本文在阐述电子束熔炼原理的基础上,着重对电子束技术在几种高纯材料与合金精炼中的研究与应用现状进行了综述,指出了目前存在的问题,并对电子束技术下一阶段的研究重点和发展前景进行了展望。

锂离子电池负极材料钛酸锂的研究进展

锂离子电池作为一种动力能源,在电动汽车和各种储能系统中有着良好的应用前景。尖晶石结构的钛酸锂(Li_4Ti_5O_(12))负极材料具有较高的脱嵌锂电位平台、优异的循环稳定性、以及突出的安全性能,被认为是一种非常有潜力的锂离子电池负极材料,在锂离子动力电池中具有巨大的发展潜力。然而,尖晶石型Li_4Ti_5O_(12)存在着本征导电率低,理论容量小等缺陷,极大地限制了其规模化应用,需要进一步改善和提高。本文总结了尖晶石型Li_4Ti_5O_(12)材料在结构形貌、制备方法和性能方面的研究进展,深入分析和讨论了离子掺杂、碳表面改性和纳米化等改性方法对尖晶石型Li_4Ti_5O_(12)综合电化学性能的改善效果,并展望了尖晶石型Li_4Ti_5O_(12)作为锂离子电池负极材料未来的发展方向。

多晶硅精炼提纯过程中铝硅合金的低温电解分离

选用AlCl3-NaCl-KCl作为电解液,铝硅合金作为阳极、不锈钢作为阴极,恒电流电解条件下实现了多晶硅精炼提纯中硅铝合金的低温分离。结合扫描电子显微镜、X射线衍射仪等检测手段,研究电解温度、电流密度、电解时间等实验参数对电流效率、沉积铝形貌的影响。研究结果表明:在电流密度为50mA/cm2,电解温度200℃,电解时间60min的条件下,Si-50%Al(质量分数,下同)阳极合金经阳极腐蚀后,阴极电极效率达到最大值93.7%,富硅阳极泥中含有90.4%的多晶硅。

多孔硅对单晶硅少子寿命影响状况的研究

以p型单晶硅片为研究对象,在单晶硅片表面采用化学腐蚀方法制备多孔硅层,通过实验选取制备多孔硅的最佳工艺条件,采用SEM观察多孔硅表面形貌,以及用微波光电导法测试少子寿命的变化情况。结果表明,在相同的腐蚀溶液配比条件下腐蚀11min得到的多孔硅层的表面形貌最好,孔隙率最大。在850℃下热处理150min时样品少子寿命的提高达到最大,不同腐蚀时间的样品少子寿命提高程度不同,腐蚀11min的样品少子寿命提高最大,约有10%左右。多孔层的形成伴随着弹性机械应力的出现,引起多孔层-硅基底界面处产生弹性变形,这有利于缺陷和金属杂质在界面处富集。另外,多孔硅仍具有晶体结构,但其表面方向上的晶格参数要比初始硅的晶格参数大,也有利于金属杂质向多孔层迁移。

造渣精炼去除多晶硅中B杂质的研究

以现有实验成果为基础,采用相关热力学及动力学分析,综述了造渣精炼去除多晶硅中B杂质的原理、影响因素及发展现状,总结了国内外已有研究结果,为进一步研究提供了理论依据。

均一微米级液滴和粒子的制备及研究现状

从原理、特点、存在的问题等方面分别介绍了几种制备微米级液滴和粒子的方法,如雾化法、切丝或打孔重熔法、乳化法、均一液滴成型法、脉冲小孔喷射法。其中脉冲小孔喷射法制备出的微米级液滴和粒子粒径均一可控,圆球度高,热履历一致,具有良好的发展潜力。此外,介绍了微米级液滴和粒子的应用领域及研究现状。

多孔硅吸杂对单晶硅片电性能的影响

多孔硅吸杂是减少晶体硅中杂质和缺陷,提高太阳能电池转换效率的有效方法。本文采用电化学腐蚀方法在单晶硅片上制备多孔硅。通过观察多孔硅的形貌、孔隙率、多孔层厚度及单晶硅片的电阻率变化,研究不同的腐蚀时间对制备多孔硅的吸杂效果的影响,并分析多孔硅吸杂的机理。结果表明,在J=100 mA/cm2条件下腐蚀时间为30 min、40 min、50 min、60 min吸杂处理后,电阻率均提高,且随着腐蚀时间的增加,电阻率相应增加,与多孔硅的形貌、孔隙率和多孔层厚度的变化趋势一致。多孔硅形成伴随弹性机械应力出现,随腐蚀时间增加,应力增加,晶格常数相应增加,这都有利于缺陷和金属杂质在多孔硅层-基底界面处迁移和富集,导致单晶硅吸杂后电阻率增大。

多晶硅定向凝固过程中温度对凝固速率的影响

多晶硅定向凝固过程中,凝固速率是影响产品品质的重要参数,但却难以直接测量。本研究基于定向凝固过程中的热平衡关系,建立了凝固速率计算模型,研究了温度对凝固速率的影响。结果表明,凝固过程中液固相内温度梯度比值存在规律性的变化趋势,通过该模型获得的凝固速率理论值与实验测量结果吻合度较好,可以为多晶硅定向凝固过程中凝固速率的评估和调控提供支撑。

不同压力条件下熔融硅除磷的效果及机理

采用钨丝网发热体对工业硅进行高温熔炼,通过在真空条件和低压条件下的对比试验,研究了不同压力条件对磷去除效果的影响。结果表明:在1×10^(-3)～2×10^(-2)Pa的真空条件下熔炼时,磷含量随熔炼时间的延长而降低并在熔炼前期下降迅速;磷的去除反应为一阶反应式,活化能为102 kJ·mol^(-1),随熔炼温度的升高去除速率加快,2.7ks时去除率超过80%;在2～6Pa的低压条件下熔炼时,磷的去除反应也可以用一阶反应式表示,但磷的去除速率受温度影响不明显,去除速率常数受环境压力影响比真空条件下的低;不同压力条件下熔炼时磷去除速率的控制步骤不同。