合金法提纯硅时硼与合金元素的交互作用及去除动力学的研究

When silicon is purified with Al-Si method, the efficiency of impurity removing rate for some elements, particularly, boron, is very low. It is proposed that kinetic is a major factor that affects the efficiency of boron removing rate. In the mean time, Ti, Zr, V, Nb, which are boride forming elements, can accelerate the boron removing. Therefore, it is proposed to study the effect of Al-Si alloy solidification rate, the amount of Ti, Zr, V, Nb addition on the boron removing efficiency to establish a kinetic model of interaction between boron and alloying elements. By improving kinetic of reactions, we can surpass the boron removing efficiency limit calculated with thermodynamic data and find a way to quickly remove boron. It is very significant to the development of a fast and high efficiency technique to purify solar grade silicon.

针对用Al-Si 合金法提纯 Si 时，杂质元素，特别是B的提纯效率低的现状，提出了合金凝固过程的动力学是影响B的去除率的主要因素，同时，Ti, Zr, V, Nb等硼化物形成元素也对B的去除有促进作用。拟采用不同的Al-Si合金凝固速度，不同的Ti, Zr, V, Nb添加量，研究对不同的含量的B的去除效率的影响，建立B与合金元素之间交互作用的动力学模型，通过改善其反应动力学条件，突破热力学理论计算出的极限提纯值，找到快速除硼的方法。对开发高效快速的合金法提纯太阳能级 Si 具有重要意义。

Al-Si合金法提纯太阳级硅料技术具有环保节能，生产灵活的技术优势，该方法在提纯硅时关键杂质元素B的高效去除一直是制约该技术大规模应用的最大瓶颈。本项目采用向Al-Si合金中加入几个常见的具有较强硼化物形成能力的合金元素Ti，Zr，V，Nb，并结合热力学和动力学的计算以及实验方法研究了不同合金添加剂种类，含量在受控凝固提纯条件下的除B效果，通过这些合金添加元素与杂质元素B形成化合物的方法来提高其去除效率。采用Scheil 方程计算了在各种条件下的B平衡偏析系数和表观偏析系数以及各种成分的热力学理论除B效率值，通过添加硼化物形成元素和改善其反应动力学/热力学条件，突破了Al-Si-B三元合金的热力学理论提纯效率极限值，此外，还研究了Al-Si合金中存在的其它杂质元素例如Fe与B以及添加元素与的交互作用情况，找到了实用型的快速除硼的方法。向Al-Si合金中添加适量的Ti，Zr，V，Nb后均可在熔体中与B结合形成MB2型化合物，并且沉淀于锭子的底部等部位而从Al-Si熔体中脱除，导致熔体中活性的B含量下降，所以除B效率得到大幅度提高，在相同含量下的除B能力是Zr > Nb > Ti > V。该方法比目前工业上使用的方法除B效率提高了几十倍，用于工业生产后，相应对Al-Si合金法的原材料电解铝和冶金硅中的杂质B含量要求大幅度放宽，可以采用市面上一般的原材料进行生产，基本上解决了Al-Si合金法提纯硅时关键杂质元素B的低成本高效去除问题，是该技术研究的一个突破，为该方法的大规模产业化打下了坚实的理论基础。