冶金法制备太阳能级多晶硅过程中硼的反应及迁移机理研究

Metallurgical method preparation of solar grade polysilicon has occupied an important position in the field of silicon material preparation, while boron removal is the vital part of the method. This project aims to study the reaction and migration mechanism of boron during metallurgical method preparation of solar-grade polysilicon. First, we study the existing state of boron and impurities interdependence in silicon, the evolution of boron and impurity components in the high-temperature multi-phase reaction process. Sceondly, we study the thermodynamics theory of boron chemical reaction, we want establish thermodynamics theory system of boron reaciton through studing of boron reaction balance in all kinds of slag systems, the theory can guide the choice of slags; On the basis of thermodynamic theory studies, we research slagging catalysts which can reduce the dosage of slag and improve the efficiency of slagging, we want develop new slag system suitable for mass production. Finally, dynamics research, we study the dynamics controlling factors in the boron migration process, establish the simulation equations for boron migration process during high-temperature non-equilibrium phase interface reaction, in-depth explore the migration and diffusion of the boron impurities in the multiphase interface. The project intends to solve the basic theories of high temperature chemical reaction of boron with slag, to provide theoretical support for the selection and optimization of the slag system, it's very important to the development of metallurgical method preparation of the solar-grade polysilicon.

冶金法制备太阳能级多晶硅已经在硅材料制备领域占据重要的地位，而硼杂质的去除是该方法中至关重要的一环。本项目旨在研究冶金法制备太阳能级多晶硅过程中硼的反应及迁移机理。首先，研究硼在硅中赋存状态及杂质相互依存关系，研究硼及杂质组分在高温多相反应过程中的演变规律。其次，进行化学反应热力学研究，通过研究硼在不同渣系中的反应平衡机理，建立硼的热力学反应理论体系，指导精炼除硼过程中的渣剂选择；在热力学研究的基础上，研究造渣催化剂，用于降低渣剂用量，提高造渣效率，并开发出新型适合大规模生产的造渣剂体系。最后进行动力学研究，研究硼迁移过程中的动力学控制因素，建立硼杂质在高温非平衡相界面的迁移理论模拟方程，深入探索硼杂质在多相界面的迁移及扩散规律。本项目拟解决造渣除硼过程中的高温化学反应的基础理论问题，为精选渣系和优化工艺提供理论支持，对冶金法制备太阳能级多晶硅的发展具有重要意义。

本项目通过研究冶金法制备太阳能级多晶硅过程中硼的反应及迁移机理，解决造渣除硼过程中的高温化学反应的基础理论问题，总结了硼杂质的去除机理和动力学模型，为精选渣系和优化工艺提供理论支持，对冶金法制备太阳能级多晶硅的发展具有重要意义。最后，对造渣过程中产生的废渣进行回收再利用。本项目的研究成果，为造渣精炼的工业应用提供理论依据，其主要研究结果如下：.（1）采用CaO-SiO2-CaF2造渣除硼，造渣后，硅中主要金属沉积相是CaSi2；此外，还包含其它一些沉积相如：Si-Ca-Al，Si-Ca-Ti，Si-Fe-Ca-Al，Si-Fe-Ca-Ti和Si-Fe-Ca-Mn。在造渣过程中，最高硼的分配比（LB）可以达到4.5。.该渣剂的除硼机理如下：硼杂质先与SiO2反应，生成BO1.5；然后与CaO反应，生成CaB2O4进入渣相。.（2）采用Na2O-SiO2造渣除硼，造渣后，硅中主要金属沉积相是Si-Fe-Ti-V；此外，还含有少量的Si-Fe-Ti、Si-Fe-Al和Si-Fe-Ca。在造渣过程中，大部分硼杂质以氧化的形式去除，继而扩散到空气中，其氧化除硼机理如下：硼杂质主要被Na2O氧化，最稳定的氧化产物为B2O3；该反应属于二级反应，反应系数为：6.725×10-4 ppmw-1s-1。.（3）在Na2O-SiO2造渣过程中，硼杂质从硅相扩散到渣相的主要限制步是其穿过硅液边界层。扩散机理是：从硅相扩散到渣相的传质系数随硅液半径的增加而减小，其值为： KB’=3.6638×10-4—10-6 cm/s (r=50 μm—5000 μm)。.（4）采用高温热处理对Na2O-SiO2渣剂进行回收，其主要去除渣剂中的碳杂质，不会改变渣剂的物相。采用二次渣剂造渣的除硼机理是：渣剂Na2SiO3自身缩聚，裂解出Na2O，硼杂质被Na2O氧化而去除。随着造渣反应的进行，渣剂Na2SiO3的氧化能力会逐渐下降。