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低溫凈化冶金硅工藝
低溫凈化冶金硅工藝
摘 要：在太陽能級多晶硅生產工藝中，才用冶金凈化法去除硼、磷等雜質的方法消耗的能量較大，而金屬熔析凈化法能夠有效的實現冶金硅在金屬液環境下低溫熔化，然后結晶凈化，是一種能耗較低的去除硼、磷的方法。
本文主要針對熔析體系選擇原則進行分析，對錫、鋁等金屬作為熔析介質進行篩選，對于Sn-Si體系，在1500K時的硼分凝系數為0.038，小于純硅熔點0.8。
硼的質量分數在冶金硅二次熔析凈化處理時可以由15×10-6降至0.1×10-6，一般情況下，其它雜質都可以一次性去除到0.1×10-6以下。
在凈化的過程中，硅與雜質生成的化合物是去除雜質的主要方法，本文主要針對金屬熔析凈化法作為基礎的低溫凈化冶金硅的工藝進行分析。
關鍵詞：低溫;金屬熔析凈化法;太陽能級硅;冶金硅;工藝
隨著光伏產業的迅猛發展，太陽能電池被稱為太陽能級硅，目前太陽能電池的主要原料出現嚴重的不足，在冶金過程中，對太陽能級硅的這一新技術的研究是具有重要意義的。
近年來，一些太陽能電池通過試驗研究出來，并開始銷售，但是很多用于冶金過程的方法，如真空精煉、結渣精煉及等離子體處理的時間都比較長，且溫度較高。
所以，研究一種低成本的冶金技術是大勢所趨。
冶金的過程實際上是對硅進行有序凈化的過程，是一步一步對雜質進行去除的過程。
因為雜質有自身的特性，沒有一種方法能夠去除所有的雜質，所以，不管是何種工藝，都是不同的方法組合在一起。
本文主要在低溫冶金過程的基礎上提出了在金屬熔析凈化法。
1 金屬熔液系統的選擇
在硅金屬溶液中，固體溶解雜質如果要在低溫條件下迅速的去除，首要條件是硅鎂必須要熔化，通過金屬熔析法能夠簡單的實現降硅溶解到熔融金屬，主要是以為內硅鎂的熔點比硅要低很多。
合金溶液在冷卻以后，金屬液中存在結晶硅與雜質，通過金屬熔析凈化方法，可以將結晶硅從金屬液中分離出來。
該方法關鍵在于硅接近通過低溫處理后得到凈化硅，實現了硅鎂在低溫環境下節能凈化，盡管很多金屬在低溫下會溶解硅，只有部分是針對液化的金屬媒介，在這部分金屬溶液的選擇時，依據以下標準。
1.1 沒有中間化合物生成。
如果中間化合物的培養基與硅中夾帶有金屬，會造成嚴重的影響。
除此以外，所夾帶的金屬也會使硅的分離更加困難，分離時也會造成嚴重的夾帶金屬損失。
1.2 在共晶點低濃度和低溫度。
在共晶點，硅與金屬的共結晶。
一般情況下，硅的共晶點存在于具有均勻的顯微組織金屬硅和二元合金系統中，很難分開，也導致硅的損失比較嚴重。
除此以外，如果共晶點的溫度比較高，就會導致大量的硅出現溶解廚衛金屬液。
所以，降低共晶點的溫度是節能凈化過程的必然選擇。
1.3 雜質分凝系數小。
在硅和金屬之間，如果硅結晶的介質中含有雜質，就會使得硅晶體和金屬液之間的偏析系數重新分配，金屬雜質會使純化的過程和凈化的效率提高。
1.4 硅在低溫下的高溶解度。
在整個熔融的過程中，鎂和硅先溶解，在低溫環境下再結晶后的金屬液，硅的溶解度比較高，高溶解度的硅能夠使系統的處理能力變強。
1.5 硅晶體容易從金屬液中分離出來。
硅和介質之間的特性是非常明顯存在的，例如密度，能使硅與介質進行分離的時候降低浪費，諸如結晶硅的粒子比較大，金屬的粘度比較小等特征，能夠降低在分離過程中的夾帶浪費。
2 凈化效率
2.1 雜質分凝系數計算。
采用這種方法時，對其凈化效率其決定性因素的是硅和介質間的雜質的偏析系數，即硅結晶與熔融金屬。
在這個項目的研究中，利用FactSage軟件對偏析系數進行計算。
該軟件的數據庫給出了二元體系的熱力學數據，但三元系統的數據沒有給出。
在計算的過程中，三元系統是以二元體系為基礎的，是在二元體系上擴展而來的。
但是，數據庫中的主要數據進行分析，只有一部分元素在晶體硅中是可溶的，例如錫、鈦、鋅、硼、碳、氮、鍺等。
也就是說，只有這部分元素的偏析系數可以直接通過該軟件計算得到。
2.2 雜質之間中間化合物的生成。
在對冶金硅進行凈化的過程中，硅在低溫凝固的過程中降低其凝固點，使雜質偏聚于臨界結晶點。
凝固的方式是單相的，雜質會沿著凝固方向的一側偏析，這種方法就是分離的方法。
在凝固過程中，在硅的結晶點如果不能形成化合物，或者只可能在晶界處形成化合物，主要是由于雜質含量高、凝固點過低影響的。
但是，隨著金屬熔融過程中金屬液中硅的結晶，液體中會留下雜質，按照分離系數，如果金屬液的流動性比較好，對雜質的轉移是有利的。
因為大部分雜質在硅形成的化合物中，溶解的溫度也比較低，在合金中能夠冷卻去除。
2.3 金屬熔析法凈化效率。
通過試驗顯示，Sn金屬熔硅在去除金屬雜質的效率方面顯得尤為突出，特別是對Ni、Cu、V等金屬雜質的去除效率上達到99.9%，雜質殘留的質量分數小于0.1×10-6，在雜質中Fe和Al通常是含量比較高的雜質，去除效率可以達到99%，對Cr、Mn及Ti等金屬雜質采取二次除塵后，去除的效率可以達到99.9%。
但是，在金屬熔析中，真正關心的是硼和磷的去除效率。
根據去除效果顯示，如果硼的去除效率達到85%，那么在二次除塵以后，去除的效率可以達到99.9%，硼的質量分數從15.4×10-6降低到低于0.1×10-6，對于磷而言，熔融處理的去除效率達到60%，進行二次除塵后，去除效率可以達到80%。
3 結束語
金屬熔析凈化法的采用實現了節能的目的，本文主要針對低溫冶金過程中金屬熔析凈化法工藝的運用進行簡單的分析。
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