硅铜基合金精炼精细化相调控及硼磷杂质迁移规律研究

In recent years, metallurgical production of high-purity silicon has been extensively studied. One of the challenges in the metallurgical route is that it is difficult to remove impurities boron (B) and phosphorus (P) synchronously and efficiently. Here, a Si-Cu-based solvent refining is proposed to purify MG-Si by fine-phase engineering, the response relationship between the alloy phase and the concentrated impurity will be established, and the evolution of the existing state of B and P during the phase transformation process will be studied with thermodynamics analysis Subsequently, the joint-effect of Si-Cu-based solvent refining and slag treatment on impurity removal will be studied by means of experiment and simulation. Then, the varied interface characteristics of the mixed melt under induction melting will be illustrated, thus forming the evaluation system concerning impurity migration. Finally, selective acid leaching process will be designed to optimize the phase separation and silicon purification, which is based on the acid sensitivity of the alloy phase. Influences of acid types and other parameters on the phase separation and impurity removal will be explored as well as the corresponding kinetics analysis. This project aims to systematically study the phase engineering and impurity migration mechanism of Si-Cu-based solvent refining, and provide a theoretical basis for scientific evaluation of the application of Si-Cu-based solvent refining in metallurgical purification of polysilicon.

近年来，冶金法作为一种制备高纯硅的方法得到了广泛研究，而冶金法提纯技术的难点之一在于硼磷杂质难以同步高效去除。本项目拟采用硅铜基合金精炼的方法对工业硅进行精细化相调控，构建有效合金物相与硼磷杂质的响应关系，从热力学角度揭示硼磷杂质在相变过程中赋存状态的演变机制。此外，采用实验与热场模拟的手段，研究硅铜基合金中硼磷杂质在造渣精炼过程中的耦合反应机理，揭示电磁外场下混合熔体中交互界面特征及其演变机制，构建各种影响因素对杂质迁移的影响权重体系。最后，利用酸洗去除合金相实现硼磷杂质的深度去除，通过解析不同合金相结构的酸敏感度，研究不同浸出剂及工艺对合金相剥离效果和硼磷杂质浸出效率的影响机制，建立硅铜基合金中杂质浸出过程的动力学理论模型。本项目旨在对硅铜基合金精炼相重构及杂质迁移机制进行系统性理论研究，为科学评价硅铜基合金精炼在冶金法提纯工业硅路线中的应用提供理论依据。

绿色可持续的晶硅除杂技术是低成本冶金法制备太阳能级高纯硅的研究热点，如何实现硅中关键杂质的高效去除已成为改变单元技术低效组合现状的关键。本项目以工业硅为主要研究对象，采用实验与模拟计算相结合的研究方法，开展了硅铜基合金化相重构、选择性湿法相分离、多场耦合造渣精炼的应用基础研究。本项目的主要研究结果包括：第一，研究了硅铜基合金精炼对工业硅的相重构及杂质赋存状态的影响机制，通过对比单熔剂金属和复合熔剂金属对硅中关键杂质的吸附能力及其分布状态，获得了在非平衡条件下Si-Cu-Sn合金化过程中关键杂质B、P的迁移规律及其与其它杂质Fe、Al、Mn、Cu间的相互作用关系。第二，研究了硅铜基合金精炼的相分离及杂质浸出机理，通过电化学测试系统监测不同合金体系的硅基合金腐蚀速率，解析了合金相的酸敏感度及其与浸出剂的匹配程度，探明了硅基合金中关键杂质在湿法浸出过程中的动力学机理，实现了对杂质吸附相的选择性高效分离。第三，研究了熔剂金属钒(V)对工业硅中杂质的强化去除机理，揭示了V添加对硅中主要杂质相化学组成的影响，对比了工业硅及硅钒合金中主要杂质相在不同无机酸中的酸敏感度，通过硅钒合金相腐蚀行为及杂质浸出效率分析，证实了添加V对杂质Fe、Al、Ca、Ti、Cr和B去除效率的增强作用。第四，研究了硅基固废中杂质在造渣精炼过程中的迁移机制，揭示了不同渣剂成分及造渣工艺对硅中杂质去除率的影响机理，构建了电磁感应熔炼下硅中B杂质迁移路径。本项目的研究成果为该方法在高纯硅基材料制备及硅基固废材料回收纯化关键技术中的应用提供理论依据与科学评价。通过项目的实施，发表SCI论文11篇，申请发明专利2项（其中1项已获得授权），联合出版学术专著1本，获得科研奖励1项，协助培养博士研究生2人、硕士研究生4人。