Разработка кислотно-ультразвукового рафинирования кремния при карботермической технологии

• Автор: Тютрин, Андрей Александрович
• Шифр специальности: 05.16.02
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Иркутск
• Количество страниц: 179 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
Введение

Глава 1. Металлургический кремний как базовый материал для солнечных элементов

1.1. Современное состояние и перспективы развития солнечной энергетики на основе кремния

1.2. Влияние примесей в кремнии на электрофизические свойства солнечных элементов

1.3. Эффективность карботермического способа получения кремния высокой чистоты

1.3.1. Технология карботермического способа получения кремния «солнечного» качества

1.3.2. Анализ основных источников загрязнения кремния примесями

1.4. Способы рафинирования технического кремния

1.4.1. Обзор методов рафинирования кремния

1.4.2. Промышленный способ очистки кремния - окислительное рафинирование расплава

1.5. Выводы
Глава 2. Изучение механизма формирования примесных включений при кристаллизации кремниевого расплава
2.1. Программа расчета материального баланса окислительного рафинирования кремния
2.2. Методика расчета трехкомпонентных диаграмм состояния на основе компьютерной программы 01а1пэ 1.
2.3. Формирование базы данных по примесным соединениям для построения диаграмм состояния трехкомпонентных систем
2.4. Построение и анализ тройных диаграмм плавкости систем 8ГЭлементг Элемент
2.5. Построение и анализ тройных диаграмм плавкости оксидных систем

2.6. Выводы
Глава 3. Разработка способа кислотно-ультразвукового рафинирования кремния
3.1. Рафинированный технический кремний как объект исследования
3.2. Исследование термодинамики процесса кислотной очистки порошка кремния
3.3. Интенсификация процессов выщелачивания в ультразвуковом поле
3.4. Методика лабораторных испытаний
3.5. Результаты эксперимента
3.6. Обработка результатов испытаний методом планирования эксперимента
3.7. Выводы
Глава 4. Оценка эффективности усовершенствованной технологической схемы получения кремния высокой чистоты карботермическим способом Заключение
Библиографический список
Приложение А. Методы рафинирования кремния
Приложение Б. Акт внедрения в учебный процесс
Приложение В. Диаграммы состояния бинарных элементных систем
Приложение Г. Инвариантные точки оксидных систем
Приложение Д. Диаграммы состояния бинарных элементных систем
Приложение Е. Результаты расчета темпа кристаллизации рафинировочного
шлака
Приложение Ж. Результаты рентгенофазового анализа образца рафинированного кремния
Приложение И. Химический состав кремния после очистки
Приложение К. Обработка результатов испытаний методом планирования эксперимента
Приложение Л. Акт внедрения в ООО «НВЦ «Солнечный кремний Сибири»

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность работы
Одним из основных сдерживающих факторов развития солнечной энергетики является высокая стоимость поликристаллического кремния, используемого для производства фотоэлектрических преобразователей (ФЭП). Высокая стоимость объясняется сложной дорогостоящей традиционной технологической схемой ^етепэ-процесс) переработки исходного металлургического кремния.
Для производства солнечных элементов используется некондиционный полупроводниковый кремний (скрап), моно- и мультикремний, полученные из поликристаллического кремния для полупроводниковой промышленности. Хлорсила-новая технология производства «солнечного» кремния, разработанная около 60 лет назад, до настоящего времени практически не изменилась и сохранила все негативные черты: высокую энергоемкость, низкий выход кремния, экологическую опасность.
В связи с этим интенсивно ведутся поиски и разработки технологий получения кремния, которые позволили бы исключить стадию хлорсилановой очистки по 81етепз-процессу. Среди альтернативных технологий получения источников энергии особое место занимает карботермическая технология получения кремния, из которого после проведения рафинирования методом направленной кристаллизации возможно получение кремния высокой чистоты. При этом исключаются из процесса экологически вредные (хлорсодержащие) и взрывоопасные (водород) вещества, используемые при тетра-, трихлорсилановой технологиях производства кремния для ФЭП, и снижается себестоимость единицы выпускаемой мощности.
При рассмотрении альтернативной технологии получения кремния для ФЭП необходимо уделять особое внимание вопросам повышения качества исходного металлургического материала. Поэтому решение теоретических и практических задач, направленных на разработку новых и совершенствование действующих технологических операций рафинирования при карботермическом получении

рования технического кремния (№ 835063 от 14.03.1981), включающем обработку расплава в ковше в присутствии флюса кислородом, подаваемым через устройство для продувки газа, при этом обработку расплава проводят в две стадии: на первой стадии расплав продувают смесью кислорода с воздухом и/или инертным газом в процессе выливки расплава из печи в ковш до его заполнения при непрерывной равномерной подаче флюса на поверхность расплава, на второй стадии после заполнения ковша расплав обрабатывают воздухом и/или инертным газом, причем продувку расплава газами осуществляют через пористую часть днища ковша. Кроме того, обработку расплава кремния на второй стадии воздухом и/или инертным газом проводят до достижения температуры расплава в ковше 1450-1550 °С, при этом в расплав кремния на второй стадии могут подавать мелочь рафинируемого кремния [13].
- Норвежской фирмой «РорІесЬ» разработана технология рафинирования, отличающаяся от отечественных разработок [15]. Так, например, для продувки ковшей кислородно-воздушной смесью по зарубежной технологии предусмотрена газосмешивающая установка, к которой от кислородной компрессорной станции по трубопроводам подаются кислород и воздух. Обжиг и разогрев ковшей по данной технологии производится на специальном стенде с кислородо-пламенной горелкой в автоматическом режиме. Разогрев ранее обожженных ковшей на стенде может осуществляться после предварительного нагрева до 1100 °С с помощью электронагревателя или горелки в форсированном режиме. Подача флюса в ковш осуществляется через бункер с пневмовибропитателем.
- Сотрудниками института геохимии им. А.П. Виноградова (патент РФ № 2131843 от 30.03.98) предложена технология рафинирования кремния в ковше при продувке расплава воздухом и водяным паром при температуре 1700 °С [33].
Таким образом, описанные выше способы рафинирования кремния не применяются или имеет ограниченное применение в промышленности. Единственным промышленным способом очистки технического кремния в настоящее время является окислительное рафинирование продувкой расплава воздухом с добавлением флюса и мелочи кремния, которое применяется на ЗАО «Кремний».