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能源枯竭,环境问题,使人们的目光聚焦于清洁能源,其中太阳能光伏产业备受瞩目。在太阳能电池中,多晶硅电池约占50%。由于传统制备多晶硅的(改良)西门子法成本高,污染环境,各国研究者都争相研究成本低廉,环境友好的冶金法太阳能级多晶硅技术。但是,杂质元素B的去除成为影响其产业化的主要障碍。冶金硅中B的分凝系数为0.8,不能用定向凝固方法去除;B的饱和蒸汽压比较低,也不能用电子束等真空熔炼去除;等离子熔炼是去除杂质B的有效方法,但成本高、硅烧损严重。本论文尝试两种途径去除冶金硅中的杂质元素B。一种是使B被氧化并扩散到造渣剂中实现有效去除,研究了四元CaO-SiO2-BaO-CaF2和CaO-SiO2-Al2O3-MgO渣在中频感应熔炼工业硅过程中去除B的效果;另一种是利用温度越低,硅中固溶的杂质含量就越少的原理去除B,借助于电磁场作用下Al-Si-(Sn)低熔点合金系中初生硅的析出和聚集现象完成其分离和杂质B的有效去除。研究结果表明:采用CaO-SiO2-MgO-Al2O3熔炼时,渣硅比1:4,当CaO/SiO2和Al2O3含量分别为1.0和20%时,硼的分配系数LB取得最大值4.7。在渣硅比和熔渣组成一定的条件下,硼的分配系数LB随着熔炼时间的增加而增加,当电磁感应熔炼时间为120分钟时,接近其最大值5.5。考虑节约能源和时间等因素,建议熔炼时间为60-80分钟。获得了最佳的熔渣组成是35.5%CaO-35.5%SiO2-20%Al2O3-9%MgO。当渣硅比1:4、电磁感应熔炼时间60分钟时,经过两次造渣后,B含量从29 ppmw降低到5.2 ppmw,B的总去除率为82.1%。金属元素Al、Ti、Mn、Cu和P的去除率分别为89.9%,49.4%,50%,70.8%和 33.3%。采用CaO-SiO2-BaO-CaF2熔炼时,硼的分配系数LB随着熔炼时间的增加而增加。但是大多数的B可以在前60分钟内去除,从生产效率考虑,60-80分钟作为最佳熔炼时间。在CaO-SiO2二元渣中加入15%BaO和20%CaF2可以大幅度增加LB值。当CaO/SiO2比例为1.1、BaO含量和CaF2含量分别为15%和20%时,LB取得最大值6.94。最佳熔渣配比为34.1%CaO+30.9%SiO2+15%BaO+20%CaF2。采用最佳熔渣配比和1:4的渣硅比,经60分钟的电磁感应二次造渣后,冶金硅中B含量由35 ppmw降到3.7ppmw,B的去除率为89.4%。Al-30%Si、Al-35%Si和Al-40%Si合金凝固过程分别在845℃(液相线以上30℃)、887℃(液相线温度)和930℃(液相线温度)施加25mT的旋转磁场时,可以实现初生硅的偏聚,且富硅层面积最大。随着Al-Si合金中硅含量的增加,富硅层的面积增加,初生硅的尺寸增大,有利于提高提纯效率;但是提纯效果略有下降。Al-30%Si合金合金化提纯效果最好;除Al是基体组分外,初生硅中Fe从2339降到4.3ppmw,Ca从575降到 0.3 ppmw,Ti 从 512 降到 1.8 ppmw,B从65 降到 7.2 ppmw,P 从 65 降到 5.9 ppmw。Al-30%Si-10%Sn合金凝固过程施加10 mT行波磁场时,初生硅开始在铸锭外侧和底部偏聚;磁感应强度大于或等于25 mT时,初生硅的偏聚效果更好;施加50mT的磁场时,B可以由此有效地被去除,初生硅中B含量从65ppmw降低到8ppmw。