新型冶金法制备太阳能多晶硅过程中磷的反应机理和迁移规律

太阳能因取之不尽、用之不竭、清洁环保和安全可靠等独特优势成为21世纪人类解决能源危机、环境污染和全球变暖的首选新能源。太阳能发电的核心问题是成本问题。研究用低成本低能耗的冶金法制备太阳能电池关键材料多晶硅成为了当前国内外研究热点。目前国内外研究冶金法制备多晶硅都是从冶金硅开始的，其中最关键的难点是硅中硼和磷的去除。基于此，申请人提出用冶金硅工艺制备太阳能多晶硅的新型冶金法，即从制取冶金硅的原料就开始控制硼和磷及其它杂质的含量。本项目拟以新型冶金法为基础，以硅中磷难以去除的关键问题为切入点，研究磷在制备冶金硅的原料中、在矿热炉碳热还原过程中以及在硅熔体中的反应机理和迁移规律，以期通过研究磷这个点带动研究硼和其它杂质的整个面，最后形成新型冶金法制备太阳能多晶硅的理论体系，为冶金法制备多晶硅的除杂提供理论指导。项目的开展对发展我国的光伏产业、拥有自主知识产权的多晶硅制备技术有重要意义。

太阳能因资源无限、清洁环保等优势成为人类解决能源短缺和环境污染的重要新能源。太阳能发展的核心是成本问题，冶金法制备太阳能多晶硅因成本低能耗小而成为了国内外的研究热点。目前国内外研究冶金法制备多晶硅都是从冶金硅开始，其最关键难点是硼磷难以去除。基于此，本人将冶金硅的制备和多晶硅的制备相结合，从源头(即炼硅的原料)开始就控制杂质含量，并提出了流程短、成本低的新型电热冶金法。本项目以磷为突破点，研究了磷在炼硅原料中、在电热冶金过程中以及在硅熔体中的反应和迁移机理。取得的主要结果如下：.(1)炼硅原料中磷的赋存及其在介质和外场下的反应和迁移。实验证明硅石和碳还原剂中磷主要是以磷酸盐Mx(PO4)y形式存在(M指金属)，且碳还原剂是磷的主要来源。磷酸盐易溶于酸去除；在有C或CO存在时会高温下分解为磷蒸汽或磷氧化物去除，这是可对炼硅原料进行酸洗除P或者高温真空除磷的理论基础。此外，研究了石油焦、碳化稻壳、碳化硅这三种碳还原剂中磷在超声酸洗、微波加热和高温真空下的迁移和反应，实现了将杂质P控制在2-5ppm的范围，这为制备低P高纯硅奠定了基础。.(2)电热冶金法制备高纯硅过程中磷的反应和迁移。在对矿热炉的温场的模拟基础上，对矿热炉内Si-C-O体系的热力学进行了研究，并给出了制备高纯硅优势区域图，也研究了碳还原剂中磷在电热冶金过程中的反应机理和迁移。此外，还对碳化稻壳的氧化动力学进行了研究，测定了碳还原剂和高纯硅石英粉制成的球团的抗压强度、气孔率和电阻率，这都是实现矿热炉制备高纯硅的先决条件。最后在国内外首次实现了分别用石油焦、碳化稻壳和切割废料碳化硅制备出了低P的高纯硅，为电热冶金法制备多晶硅奠定了坚实基础。.(3)冶金硅炉外精炼时磷的反应和迁移。冶金硅中的磷主要是以SiP形式存在；实验证明采用吹气精炼可有效去除硅中的磷；此外，也对冶金硅进行了造渣精炼除磷的研究。但是，吹气精炼和造渣精炼除磷是有限的，都难以多晶硅的要求，所以还是需要从炼硅原料开始去除杂质。.研究表明用新型电热法制备多晶硅是完全可行的. 本项目对磷的研究和突破，可为新型电热冶金法制备多晶硅实践提供指导。本项目的开展对我国发展光伏产业、拥有自主知识产权的多晶硅制备技术具有重要意义。已发表文章15篇(SCI、EI、ISTP收录共6篇)；申报和授权国家发明专利4项；培养博士生2名和硕士生7名。