冶金法从多晶硅中去除硼和非金属夹杂物的基础研究

Silicon material is the main material of solar cells, over 85% in current years. In 2011, the silicon production capacity was 240,000 ton in the whole world and 84,000 ton in China. The objective of the current project is to investigate and understand the fundamentals of the removal of boron and non-metallic inclusions from silicon and provide theoretical information for the removal of other impurity elements from silicon. The study methodology includes thermodynamic calculation, laboratory experiments and theoretical modeling and mathematical modeling on the fluid flow-related transport phenomena during these refining processes. The main research tasks include: 1) thermodynamic calculation on the properties of boron in silicon; 2) The interfacial phenomena between inclusions and silicon melt, between lining refractory and silicon melt, between slag and silicon melt; 3) Removal of boron from silicon melt through “Gas bubbling and slag fluxing” under vacuum, and optimization of thermodynamic and kinetic conditions for the removal of boron ; 4) Removal of non-metallic inclusions from silicon melt using high frequency electromagnetic field, and the optimized parameters for the removal of inclusions. Three research groups will join this study – Prof. Lifeng Zhang’s group at University of Science and Technology Beijing, Prof. Wenhui Ma’s group at Kunming University of Science and Technology, and Prof. Zhongliang Tian’s group at Central South University. The principal investigator is Prof. Lifeng Zhang’s group at University of Science and Technology Beijing.

当前太阳电池的85%以上使用硅材料。2011年全球多晶硅产量为24万吨，中国产量为8.4万吨，但高成本的生产工艺阻碍了持续发展。本项目针对冶金法制备太阳级硅过程中杂质硼和磷难以去除的难题，以北京科技大学为依托，联合昆明理工大学和中南大学组成联合团队，开展“冶金法去除多晶硅中硼和非金属夹杂物的基础研究”，主要包括：1）金属硅熔体中硼的热力学性质的计算；2）研究非金属夹杂物相、耐火材料相和渣相与硅熔体之间的界面行为；3）真空条件下“吹气+喷粉造渣”复合精练法去除硅中硼的基础研究，得到有利于硼去除的热力学条件和动力学条件；4）电磁净化法去除硅液中非金属夹杂物的基础研究，得出电磁净化去除夹杂物的最优参数。通过上述研究，为冶金硅中元素硼和非金属夹杂物颗粒的有效去除提供理论基础，同时为其他杂质元素的去除提供理论依据和研究思路，为创建冶金法制备太阳级硅的低能耗新技术奠定基础，推动光伏产业的蓬勃发展。

本项目针对冶金法生产高纯多晶硅做出了一系列基础研究，揭示了B等杂质和Si3N4等夹杂物的脱除机理，提出了强化调控机制，并进行吨级中间试验，建立了冶金硅精炼优化工艺制度，为冶金法生产高纯多晶硅提供了重要的理论依据和研究思路，促进冶金法多晶硅的产业化发展。.根据任务书的规定，开展了以下主要研究内容：.（1）金属硅熔体中B的热力学性质的计算：系统计算了二元、三元、四元硅基熔体内各组元在1693-1873 K的热力学性质，为冶金法精炼除B提供了重要的热力学理论依据，弥补了现有数据库的不足，丰富了冶金熔体基础参数。.（2）非金属夹杂物相、耐火材料相和渣相与硅熔体的界面行为研究：基于高温共聚焦显微镜在线研究手段，揭示了硅中Si3N4夹杂物的析出、生长行为规律；明晰了硅中Fe等典型金属对SiC夹杂物析出行为和界面性质的影响规律；揭示了硅熔体及CaO-SiO2-CaF2等渣剂碱度等多因素对耐材的润湿及渗透深度的影响规律，明晰了硅熔体精炼过程中耐材的影响机制；为夹杂物去除、耐材合理选择奠定了研究基础；.（3）造渣吹气联合精炼强化去除硅液中B杂质的研究：揭示了造渣精炼过程中B反应迁移规律及助剂的强化除B机理，建立了助剂强化除硼造渣精炼机制；揭示了造渣精炼过程中耦合吹气精炼对B迁移气化行为规律，建立了造渣吹气联合精炼除硼的强化机制；揭示出吹气管浸入深度对流场的影响规律，实现了流场优化；完成了造渣精炼、造渣吹气联合精炼的吨级中间试验，建立了造渣吹气联合精炼优化工艺制度，成功将硅中B杂质含量降低至0.1-0.3 ppmw，为冶金法提纯多晶硅瓶颈问题的解决提供有效的解决方案。.（4）电磁净化法去除硅液中非金属夹杂物的基础研究：建立了非金属夹杂物被硅凝固前沿捕捉的理论模型，有效预测了夹杂物在凝固硅锭中的具体位置；揭示了电磁净化机理及凝固前沿对夹杂物的捕捉机制，明确了电磁工艺参数对夹杂物去除的影响规律，实现了电磁净化优化；设计了一种连续生产硅锭的装置，实现硅液的连续电磁净化处理。