采用Si-Cu合金定向凝固法提纯太阳能级多晶硅的工艺研究

• 作 者: 沈晓杰
• 机 构: 厦门大学
• 出 处: 厦门大学
• 发表日期: 2011年期
• 关键词: 太阳能电池 多晶硅 硅铜合金 定向凝固 制备工艺

太阳能是一种巨大的清洁可再生能源,太阳能发电可能成为未来解决能源危机与环境问题的重要途径,已经得到了世界各国的普遍重视。硅是制备太阳能电池的主要基底材料之一。随着光伏工业的迅猛发展,以电子级硅废弃料作为制备太阳能电池的原料已经远远不能满足光伏产业的发展需要。另一方面,化学法(如改良西门子)由于其高成本、高能耗、高污染、高危险等原因而不能成为太阳能级多晶硅的生产工艺。在此背景下,冶金法提纯太阳能级多晶硅迎得了发展机遇。常用的冶金手段包括:造渣、酸洗、真空、定向凝固、电子束、等离子体等。近期的研究发现,杂质在低熔点硅合金熔体中的分凝系数要比在硅熔体中小得多,因此采用低熔点硅合金定向凝固工艺提纯太阳能级多晶硅已渐渐成为世界各国的研究热点。　　
本文采用自行设计的多晶硅铸锭炉,将工业硅和铜粉按照质量比为1:1熔合,进行硅铜合金定向凝固提纯工艺的实验探索与研究。并采用电子探针显微分析(EPMA)、扫描电镜(SEM)、X射线衍射分析(XRD)等手段,分析铸锭的组织、成分和含量,研究定向凝固过程中组织成分分布,定向凝固对杂质元素的去除和拉锭速度对提纯效果的影响,主要内容如下:　　
1.铸锭有硅铜合金相偏析,主要聚集在铸锭中间部位,偏析区中有细颗粒纯硅相均匀分布。从铸锭中心到边缘主要是由合金偏析区,合金偏析区、大颗粒纯硅相和硅铜合金相,硅铜合金相和大颗粒纯硅相三部分组成。对铸锭的成分进行分析,主要成分为纯Si相与硅铜合金相,硅铜合金相以Cu3Si为主。　　
2.铸锭两相中有大量的微裂纹,特别是两相交界处微裂纹密度更大,这有利于两相分离。两相之间没有明显在杂质富集和过渡相存在。　　
3.硅铜合金相对杂质元素Fe、Ca、P、B、O等的吸附作用,使得这些元素在硅铜合金相中聚集,有利于去除杂质。而硅铜合金相对杂质元素Al的吸附作用不明显,杂质元素Al更多分布于纯Si相中。　　
4.定向凝固对Fe、Ca、Al等金属杂质元素有明显的分凝作用,而P的分凝不佳。定向凝固拉锭速度对杂质元素的分凝效果有影响作用,在三组对比试验中,拉锭速度10 mm/h效果最佳,比50mm/h和100 mm/h去除杂质元素更明显。