合金法提纯多晶硅的研究

作     者：武深瑞 

作者单位：大连理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：许富民

授予年度：2013年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：多晶硅 合金法 相互作用系数 合金造渣 

摘      要：基于能源危机和环境因素的考虑,迫使人们寻求可再生的能源,以满足人们现在源源不断的需求,其中光伏发电已经进入人们的视线,光伏发电的优点满足环境和地域的限制,因此目前光伏行业正在迅猛发展,全球98%以上的太阳能电池是利用硅材料制备的,但是依赖微电子行业提供的太阳能级硅材料已经远远不能满足要求,因此需要开发出许多方式来提纯多晶硅。冶金法作为提纯多晶硅的一种方式,由于具有生产成本低、生产周期短、工艺相对简单、污染小、规模大小可控等特点,因此成为关注的焦点。冶金法的方式有很多种,例如定向凝固、等离子精炼、电子束熔炼等。由于金属杂质在硅中的分凝系数较小,采用定向凝固可以有效的去除金属杂质;非金属杂质P的饱和蒸汽压较高,可以采用电子束熔炼的方式将其去除;等离子精炼可以将杂质B去除达到太阳能级硅材料的要求,可是设备复杂,能耗高,因此需要寻求另类的去除杂质B的方法。 合金法作为一种提纯多晶硅的方法,主要利用杂质元素在低温下逆向固溶的特性与合金元素和杂质间的相互作用的关系,本文采用了Si-Al-Sn三元合金的方法提纯多晶硅,文中为了确定杂质B和Sn的相互作用力,首先测定了杂质B和Sn的相互作用系数,热力学计算获得其值约为2506±143(1173K),杂质B和Sn的相互作用系数远远大于Al和B的相互作用系数,说明Sn和B之间的排斥力大于Al和B之间的排斥力;然后通过金相和电子探针的方式讨论了采用Si-Sn-Al合金提纯多晶硅过程中多晶硅的提纯效率与Si-Sn-Al合金配比的关系,即随着Sn含量的增加,Al含量的减少,多晶硅的提纯效率提高;最后通过热力学的方式讨论了杂质B的去除效果与Si-Sn-Al合金配比的关系,即随着Sn含量的增加,Al含量的减少,杂质B的去除效果一定程度上降低。 由于杂质B和合金元素Sn的相互作用关系,本文又采用Si-Sn合金造渣的方式提纯多晶硅。杂质B和合金元素Sn的相互排斥力较强,导致杂质B在合金相中的活度增大,易于与SiO2反应生成硼氧化物进入渣相中,一定程度上增强了造渣反应过程。本文通过以下一系列对比实验研究杂质B的去除情况,例如感应熔炼和电阻熔炼两种熔炼方式;淬火和随炉冷两种热处理方式;碱度为0.55和1.2的两种渣系;不同的Si-Sn合金配比,最后从热力学角度和动力学的角度讨论了这几种方式与多晶硅中杂质B的去除效果的关系。