“三层液态”熔盐电解精炼方法制备太阳能级硅的基础研究

太阳能将成为本世纪最有希望大规模使用的清洁能源, 约90％的光伏电池由高纯晶体硅材料制备而成，为此，太阳能的广泛使用已经对高纯度多晶硅造成强大需求。然而目前工业使用的冶金纯度硅的西门子精炼的制备工艺具有能耗高，污染大，成本高等特点。本研究拟采用熔融盐为电解质，对冶金纯度单质硅进行电化学精炼从而制备出太阳能级多晶硅。工艺利用"三层液态"电化学精炼技术，通过控制电解参数，实现高电流效率，高纯度多晶硅的生产；并通过多种交流和直流电化学测定技术研究整个工艺的反应机理。申请人已在剑桥大学和麻省理工学院从事多年熔融盐，熔融氧化电解的研究工作，基于相关领域丰富的工作积累，通过系列基础研究，本课题将为该新型太阳能级硅生产技术的工业化应用提供重要的理论支持。

本项目涉及三层液态电化学方法提纯硅的基础研究。项目实施中，采用不同的电化学研究方法，对硅离子在BaF2-CaF2-SiO2体系中的电化学行为进行研究，揭示了硅离子1300℃下在该体系中的还原反应是一个由扩散控制的一步不可逆过程：Si (Ⅳ) + 4e →Si，扩散系数为9.76×10-5 cm2 s−1。. 探讨了硅离子在熔盐中的固态电解沉积与精炼过程。用液态Cu-Si合金作阳极，1300℃下在BaF2-CaF2-SiO2电解质中进行电解沉积和精炼，结果表明，硅离子从阳极溶解进入电解质中，并在阴极还原成单质硅，低电流密度更加有利于阳极合金中Si的顺利溶解及阴极沉积。. 构建了三层液态电解池，最底部为熔融Cu-Si合金，中部为熔融BaF2-CaF2电解质，上部为熔融高纯硅。在1450℃电解提纯硅，在长达20h的电解后三层依然保持良好分层，对电解后的产物进行ICP元素分析，考察了产物中B元素的含量变化，结果表明产物中的B含量与电流密度有很大关系，随着电流密度的增加，杂质B的去除率呈现减小的趋势。