電子束熔煉去除硅中氧、碳及其化合物的研究.pdf

1、隨著能源危機、環(huán)境問題的不斷加劇，世界各國對可再生能源進行了大量的研究。太陽能以其環(huán)保、高儲量、安全及潛在的經(jīng)濟性成為大家所關(guān)注的焦點。光伏發(fā)電是太陽能利用的主要形式，而鑄造多晶硅是應(yīng)用最廣泛的太陽能電池基體材料，探索建立低成本、低能耗的多晶硅制備技術(shù)是促進光伏產(chǎn)業(yè)可持續(xù)性發(fā)展的重要途徑之一。
　　鑄造多晶硅以高純硅為原材料，但在鑄造過程中，處在高溫狀態(tài)下的硅熔體及硅蒸氣，不可避免地與石英坩堝和石墨發(fā)熱體、石墨支撐材料發(fā)生反應(yīng)，使

2、大量的氧元素、碳元素通過擴散、對流等方式進入熔體中。當(dāng)硅完全凝固后，這些雜質(zhì)以固溶或沉淀的形式分布在多晶硅鑄錠的頂部、底部和側(cè)面，嚴重影響了材料的電學(xué)性能，因此不能被直接用于制備太陽能電池。這部分材料占整個鑄錠的30％以上，傳統(tǒng)的回收再利用方法是:將高氧區(qū)域的材料與高純硅料混合鑄錠，然而這種方法并未將氧雜質(zhì)去除，造成了光電轉(zhuǎn)換效率的衰減;將高碳區(qū)域的材料經(jīng)過一次定向凝固后再繼續(xù)使用，這種方法效率較低、成本較高。因此，急需開發(fā)高效、低成本

3、的回收再利用方法。
　　本論文針對多晶硅鑄錠側(cè)部和底部高氧濃度區(qū)和頂部高碳濃度區(qū)無法高效、低成本回收利用的問題，結(jié)合電子束熔煉技術(shù)的特點和氧、碳雜質(zhì)在硅中的特性將其去除，實現(xiàn)這部分硅材料的回收和再利用。其中，對于高氧雜質(zhì)區(qū)域，利用電子束熔煉高溫、高真空度的特點將氧雜質(zhì)從硅熔體中蒸發(fā)去除，獲得了氧在特定參數(shù)下的去除率以及蒸發(fā)速率。同時，將電子束處理后的硅料與高純硅料按照比例混合獲得多晶硅鑄錠，評價了鑄錠的性能，并與傳統(tǒng)方式獲得的鑄錠

4、進行了比較。對于高碳雜質(zhì)區(qū)域，利用電子束熔煉過程中熔體內(nèi)部溫度梯度較大的特點，使碳元素在低溫區(qū)析出并沉積，解釋了這種現(xiàn)象產(chǎn)生的機制。主要得到以下結(jié)論:
　　(1)在相同熔煉功率下，硅中氧濃度隨熔煉時間的增加而降低，隨時間的進一步延長逐漸趨于水平。使用15kW的電子束功率熔煉時，當(dāng)熔煉時間逐漸增加到600s時，氧含量降低到低于0.0571 ppmw，去除率達到99.08％。通過對氧雜質(zhì)蒸發(fā)動力學(xué)的分析，其蒸發(fā)去除的速率常數(shù)為1.10

5、×10-5kg/s，比相同熔煉條件下的磷、鋁和鈣的去除速率更快。在熔煉過程中，硅基體的蒸發(fā)損失非常小，在氧被去除到目標(biāo)值后，硅的損失率僅為1.7％，證明電子束熔煉是一種去除硅中氧雜質(zhì)的非常有效的方法，并且可以減小硅的損失。
　　(2)在產(chǎn)業(yè)化電子束熔煉設(shè)備上實現(xiàn)除氧過程，當(dāng)電子束功率為500kW時，熔煉30min后氧含量從10ppmw降低到小于0.0571ppmw，去除率達到99.429％。但是，在鑄錠底部，氧并未被去除到這種程度

6、，其含量為0.12ppmw。這是由于在凝固過程中氧在固液界面的分凝和在氣液界面的蒸發(fā)的耦合作用形成的。電子束再生精煉后的硅料制備的多晶硅鑄錠，與傳統(tǒng)方法相比，兩者少子壽命的平均值相同，但是再生多晶硅鑄錠的中部區(qū)域的少子壽命要遠遠好于未再生的鑄錠。兩者的光電轉(zhuǎn)換效率在初始時都為17.55％。4小時后，其效率分別降低到17.05％和15.775％，再生多晶硅的衰減更小。
　　(3)高碳濃度的多晶硅料，使用電子束熔煉后SiC被富集在鑄錠