綜述了目前冶金級(jí)硅氧化精煉制備太陽能級(jí)硅的研究進(jìn)展,詳細(xì)介紹了熔渣精煉、吹氣氧化精煉和熱等離子體精煉的方法和裝置以及雜質(zhì)的去除效果。研究發(fā)現(xiàn):上述氧化精煉方法對(duì)硅中雜質(zhì)元素Al\Ca、Cu、B、P 等具有很好的去除效果;熔渣和吹氣氧化精煉對(duì)Fe 不明顯,須借助于定向凝固方法才能徹底的去除;吹氣氧化精煉和等離子體精煉對(duì)硅中B 的去除效果十分明顯,可使其降低至0.1ppmw 以下,這為當(dāng)前冶金法提純制備太陽能級(jí)硅在技術(shù)和工藝上提供了很好的思路;通過氧化精煉,硅中雜質(zhì)元素完全可以達(dá)到太陽能級(jí)硅的要求。本文提出,吹氣氧化精煉(或等離子體精煉) 與定向凝固精煉聯(lián)合使用并形成規(guī)模化和連續(xù)化精煉裝置是加快我國(guó)太陽能級(jí)硅產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程最切實(shí)可行的辦法和措施。

　　用可再生能源替代石油、煤炭、天然氣是解決可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境問題的唯一途徑,具有硅半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換原理的太陽能電池正受到全球能源界的極大重視,越來越多的科研人員和企業(yè)投身于太陽能電池的開發(fā)與利用。全球工業(yè)硅年消耗量已達(dá)到150 萬噸,隨著工業(yè)硅消費(fèi)量的快速增長(zhǎng),對(duì)太陽能級(jí)硅(SoG-Si)和電子級(jí)硅(EG-Si)的需求也日益增加,2005 年,全球太陽能光伏產(chǎn)品為1787MW,2007年為4000MW,預(yù)計(jì)到2020 年后,每年將達(dá)到18GW。

　　目前,太陽能級(jí)硅材料沒有形成獨(dú)立的供應(yīng)系統(tǒng),90%來源于電子級(jí)硅的廢料以及單晶硅的頭尾料,遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足太陽能電池產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的需求, 原料供應(yīng)已成為制約光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸 。

　　一般來說,冶金級(jí)硅中主要含有Fe 、Al 、Ca 等金屬雜質(zhì)和B、P、C、O 等非金屬雜質(zhì)。目前,太陽能電池硅原料的生產(chǎn)主要是改良西門子法,產(chǎn)量約占世界總產(chǎn)量的78 % ,但是該技術(shù)一直為美國(guó)、日本和德國(guó)幾家大公司壟斷,對(duì)我國(guó)實(shí)行技術(shù)封鎖 。定向凝固法 和高溫真空蒸發(fā)法可有效去除冶金級(jí)硅(MG-Si ) 中分凝系數(shù)小的雜質(zhì)元素(Fe 、Al 、Ca等) 和易揮發(fā)元素(P),但對(duì)分凝系數(shù)較大和不易揮發(fā)的雜質(zhì)元素幾乎不起作用,尤其對(duì)硅中重要的雜質(zhì)元素B 無能為力。

　　雜質(zhì)對(duì)太陽能級(jí)硅的影響主要體現(xiàn)在:

　　(1) 成為復(fù)合中心使硅片的少數(shù)載流子壽命下降,影響電池的效率;

　　(2) 改變硅片的電阻率;

　　(3) 促進(jìn)硅晶體中缺陷的形成,影響電池的轉(zhuǎn)換效率。

　　太陽能級(jí)硅中硼含量過高會(huì)使材料的俄歇復(fù)合迅速增加、載流子遷移率減小,從而導(dǎo)致少子擴(kuò)散長(zhǎng)度下降,電池效率降低;另外,B 與O、Fe 形成的BOn 型亞穩(wěn)態(tài)缺陷以及B2Fe 深能級(jí)化合物是硅電池衰減的主要原因。

　　在氧化性介質(zhì)中,硅中的雜質(zhì)元素B 可被氧化為氣態(tài)化合物BO、BHO、BH3 、BO2 等或固態(tài)氧化物B2O3 ,這些化合物或揮發(fā)或進(jìn)入渣相與硅液分離 。研究表明,氧化精煉是目前去除冶金級(jí)硅中雜質(zhì)元素B 最有效的方法。

　　本文綜述了目前國(guó)外冶金級(jí)硅熔渣、吹氣以及等離子體氧化精煉的主要工作,重點(diǎn)介紹了氧化精煉過程對(duì)硅中雜質(zhì)元素硼的去除過程及去除效果,并提出了幾條加快我國(guó)太陽能級(jí)硅產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程的建議。

結(jié)論

　　本文主要介紹了國(guó)外冶金級(jí)硅氧化精煉提純制備太陽能級(jí)硅的研究進(jìn)展,重點(diǎn)闡述了硅中雜質(zhì)元素B 的氧化去除過程及效果,目前國(guó)內(nèi)在這方面的研究工作還很少。熔渣精煉可以去除硅中包括B在內(nèi)的部分雜質(zhì),但雜質(zhì)在渣- 金間的分配系數(shù)最大值(LB = 2) 以及熔渣的大量消耗制約了熔渣精煉的單獨(dú)應(yīng)用。吹氣氧化精煉和等離子體精煉可以達(dá)到很好的B 去除效果,同時(shí)還可以除去大部分金屬雜質(zhì),熱等離子體精煉對(duì)裝置的技術(shù)要求較高,熔渣精煉與吹氣氧化精煉或等離子體精煉結(jié)合使用能起到更好的精煉效果,吹氣氧化精煉與等離子體精煉將在冶金級(jí)硅精煉尤其是去除雜質(zhì)元素B 上得到
重點(diǎn)的發(fā)展和應(yīng)用。面對(duì)越來越緊張的能源短缺和枯竭問題以及太陽能電池材料研究領(lǐng)域的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng),要解決我國(guó)太陽能電池及其材料主要依賴進(jìn)口的局面,必須研發(fā)出穩(wěn)定、優(yōu)良以及規(guī)模化的冶金級(jí)硅精煉制備太陽能級(jí)硅的工藝,形成精煉過程的基礎(chǔ)理論,從而加快我國(guó)太陽能級(jí)硅產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。為此,提出以下建議:

　　(1) 借鑒轉(zhuǎn)爐煉鋼的原理,形成冶金級(jí)硅吹氣化精煉和等離子體精煉技術(shù),考察精煉溫度、氧化性氣體成分及組成對(duì)硅中Al 、Ca 、B、P 等雜質(zhì)元素去除效率的影響。

　　(2) 研究熔渣與吹氣或等離子體氧化精煉結(jié)合使用的效果,考察熔渣與氣相組成對(duì)雜質(zhì)去除的影響,并開發(fā)出相應(yīng)的精煉裝置;

　　(3) 冶金級(jí)硅氧化精煉與定向凝固串聯(lián)使用,形成從冶金級(jí)硅到太陽能級(jí)硅規(guī)模化和連續(xù)化生產(chǎn)作業(yè),產(chǎn)品質(zhì)量完全達(dá)到太陽能級(jí)硅國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。