< br/>通信作者:xuetao@xmu.edu.cn < br/>
(1.厦门大学材料学院,福建 厦门 361005; 2.宁夏东梦能源有限公司,宁夏 银川 750021)
(1.College of Materials,Xiamen University,Xiamen 361005,China; 2.Ningxia Dongmeng Energy Co.,Ltd.,Yinchuan 750021,China)
metallurgical grade silicon; metallic impurity; alloy refining; slag refining
DOI: 10.6043/j.issn.0438-0479.201803064
备注
< br/>通信作者:xuetao@xmu.edu.cn < br/>
采用Si-Cu合金精炼与CaO-SiO2-CaCl2造渣精炼相结合的方法对冶金级硅进行精炼,通过多种分析方法考察了合金造渣过程、渣剂添加剂和合金成分对金属杂质Fe、Al和Ca去除效果的影响.结果表明,提高Si-Cu合金中Cu的质量分数可以有效增加Cu3Si相在Si中的含量,造渣精炼过程会影响Si-Cu合金的相转变,造渣后金属杂质Fe和Ca聚集在Si-Cu合金的Cu3Si相中.在渣剂中添加CaCl2助溶剂可降低渣剂黏度以促进传质过程,从而有效提高金属杂质Fe、Al和Ca的去除率.此外,随着Si-Cu合金中Cu质量分数的增加,造渣后合金相中Cu的析出现象明显,Fe的去除率上升,Ca的去除率下降,而Al的去除率不变.当Si-30%Cu合金与CaO-SiO2-CaCl2(质量比9:9:2)渣剂进行精炼后,Fe、Al和Ca的去除率分别为68%,94%和86%.
A combined process of Si-Cu alloy refining and CaO-SiO2-CaCl2 slag refining was used to remove metallic impurities,Fe,Al and Ca,from metallurgical grade silicon(MG-Si).Effects of refining procedure,slag addition,and alloy composition on the removal efficiency were investigated using several methods.It was found that the content of the Cu3Si phase in the Cu-alloyed MG-Si increased when the mass fraction of Cu increased.The slag refining would affect the phase transformation of the Si-Cu alloy,and impurities,Fe and Ca,were found to concentrate in the Cu3Si phase after slag refining.The addition of CaCl2 facilitated the mass transfer process by decreasing the viscosity of the slag,thus enhancing the removal efficiency of impurities,Fe,Al and Ca.With themass fraction of Cu increasing,more Cu was precipitated after slag refining,the removal efficiency of Fe and Ca increased and reduced,respectively,while that of Al was unchanged.When Si-30%Cu alloy was refined with CaO-SiO2-CaCl2(9:9:2, by mass)slag,the removal efficiencies of Fe,Al and Ca were 68%,94%,and 86%,respectively.
引言
进入21世纪以来,太阳能的开发和利用倍受关注.目前,多晶硅太阳能电池是使用最为广泛的商业化太阳能电池之一,其光电转换效率最高可达22%[1].近年来,我国太阳能光伏产业发展迅速,极大地促进了我国的工业结构转型和能源结构调整.为进一步发展我国的光伏产业,采用低成本、节能环保的技术生产太阳能级多晶硅(纯度99.999 9%以上)是必然的选择.冶金法制备的产品纯度适宜,不仅能避免纯度浪费,同时可减少掺杂过程的能量消耗,因此该法逐渐成为业界公认的最具发展潜力的太阳能级多晶硅制备方法[2].
冶金级硅中杂质的富集状态不尽相同,冶金法可针对硅中各类杂质的特性进行精准除杂.冶金级硅中的杂质主要分为金属杂质和非金属杂质两类.金属杂质(如Fe、Al和Ca等)的分凝系数较小,在凝固过程中容易偏析在晶界或者晶体表面; 非金属杂质(如B和P等)的分凝系数较大,在凝固过程中趋于聚集在硅的基体中.冶金法工艺包括:造渣精炼[3]、酸洗浸出[4]、定向凝固[5]、等离子氧化精炼[6]、电子束精炼[7]等.合金精炼法是当前冶金法提纯多晶硅的研究热点之一[8].它的基本原理是利用合金相改变杂质的分凝行为及化学状态,使杂质趋于富集在合金相中,最后通过去除合金相以达到提纯的效果.目前,溶剂金属主要有Al[9]、Cu[10]和Sn[11]等.其中Cu对Si中的多数杂质具有较强的亲和力,且与Sn相比,Cu的价格低廉; 与Al相比,Cu杂质经酸洗更易被去除[12].此外,Si-Cu合金表面张力随着合金中Cu含量的增加而增加[13],并且由于Si与Cu的密度差较大[10],所以选取适当成分的Si-Cu合金有助于分离提纯Si与Si-Cu合金.已有研究表明,可使用重介质分离[10]和酸洗[14]等方法去除Si-Cu合金相,且由于室温下Si相中Cu的固溶度低于0.001%(原子分数)[15],所以结合后续的定向凝固工艺可以进一步降低Si中的Cu含量.将合金精炼法与传统的造渣精炼工艺相结合,不仅能够降低合金的熔化温度,还可提高合金密度,促进两相分离.已有研究[16-20]表明该组合工艺可以有效提高Si中B和P杂质的去除率,具有良好的应用前景.然而,该组合工艺对于冶金级硅中的Fe、Al和Ca等金属杂质的影响鲜有报道.
因此,本研究采用Si-Cu合金精炼与CaO-SiO2-CaCl2造渣精炼的组合工艺,先将冶金级硅与纯Cu制成Si-Cu合金,再进行造渣精炼对冶金级硅提纯,对合金造渣过程的物相变化进行表征,并考察了合金造渣过程、渣剂添加剂和合金成分对冶金级硅中金属杂质去除率的影响.
1 实 验
1.1 试 剂冶金级硅(纯度99%)购于宁夏某硅业公司,Cu粉(纯度99.99%)、CaO、SiO2、CaCl2均为分析纯,购于国药集团化学试剂有限公司.
1.2 实验方法首先将冶金级硅块与Cu粉以一定比例混合均匀,倒入高纯石墨坩埚中,样品放置于立式管式炉中以10 ℃/min的速度加热至1 500 ℃,保温3 h; 随后以5 ℃/min的速度降至800 ℃后关闭电源使之随炉冷却,得到Si-w%Cu合金(w=30,50,70,w%为合金中Cu的质量分数),本实验制备的Si-Cu合金样品及对应的Si-Cu二元相图如图1所示; 再将制备的Si-Cu合金与渣剂(CaO-SiO2(质量比1:1)和CaO-SiO2-CaCl2(质量比9:9:2))置于中频感应熔炼炉中进行造渣精炼,具体参数为渣剂与合金的质量比1:1,每炉总质量50 g,中频感应炉功率30 kW, 快速升温至1 650 ℃熔炼20 min,熔炼结束后将硅液快速倒入另一坩埚中,待冷却后进行渣硅分离; 最后,将得到的精炼硅进行破碎酸洗去除合金相及残余渣剂,得到高纯硅粉.
1.3 表征手段采用SU-70型扫描电镜(SEM)对样品的微观形貌进行表征,采用X射线能谱(EDS)仪对样品的微区成分进行分析,通过Bruker-axs型X射线衍射(XRD)仪获得样品的物相结构,通过NETZSCH STA 449F3同步热分析仪对合金造渣过程进行表征,通过电感耦合等离子体原子发射光谱(ICP-AES)法测定样品金属杂质的含量.
2 结果与讨论
2.1 Si-Cu合金微观形貌分析图2为制备的3种成分的Si-Cu合金的XRD谱图,通过对比标准PDF卡片可知,合金主要由Si 和 Cu3Si两相构成,同时合金相中有少量Cu析出.随着合金中Cu质量分数的增加,Cu3Si和Cu峰的强度增加,
推测二者在合金中的含量增加.图3为破碎研磨后的Si-50%Cu合金颗粒断面的SEM图和EDS谱图.结合EDS分析可知,颗粒断面中的浅色区域为Cu3Si相,部分Si颗粒从该合金相中析出.由此可以推断:在合金凝固过程中,熔点高的Si先凝固,而后析出合金相Cu3Si; 在温度继续降低的过程中,由于Si的密度变化带来体积膨胀,造成了部分Si延伸到合金相中并形成凸起的特殊形貌.2.2 Si-Cu合金造渣过程研究造渣精炼是通过往熔融硅中加入氧化性渣剂进行精炼的过程.在此过程中,硅中的杂质会扩散到渣硅界面处被氧化,最后进入到渣相中从而起到除杂的目的[21].造渣精炼过程的反应快速而激烈,合金和渣Spectrum 1. 100%Si; Spectrum 2. n(O):n(Si):n(Cu)=9.79:14.45:75.76.
图3 Si-50%Cu合金颗粒的断面SEM图(a)及对应的EDS谱图(b和c)
Fig.3 SEM image of cross-section of a Si-50%Cu alloy powder(a)and the corresponding EDS spectra(b and c)图4 Si-50%Cu合金(a)与CaO-SiO2渣剂精炼前(a)后(b)的TG-DSC曲线
Fig.4 TG-DSC curves of Si-50%Cu alloy before(a)and after(b)CaO-SiO2 slag refining图5 Si-50%Cu和CaO-SiO2造渣后合金(a)和渣剂(b)中合金相的SEM-EDS谱图
Fig.5 SEM-EDS patterns of the Si-50%Cu alloy(a)and CaO-SiO2 slag(b)after slag refining2.3 添加助熔剂对Si-Cu合金造渣的影响已有研究[22]表明,添加助溶剂CaCl2能够降低渣剂的熔炼温度和黏度.由图5(a)可知,以CaO-SiO2为渣剂造渣后Si-50%Cu合金相表面平整,当渣剂中含有CaCl2时,造渣后Si-Cu合金及渣剂的微观形貌均发生了明显变化.从图6(a)可以看出,以CaO-SiO2-CaCl2为渣剂造渣后Si-50%Cu合金表面有析出物且有层片状撕裂现象,这可能是对样品表面进行抛光时造成的表层撕裂; 对此撕裂部分进行EDS分析,发现该区域的Cl原子分数要远高于其他区域(表1).另外,从渣剂的微观形貌(图6(b))可以看出,有圆形浅色区域覆盖于表面,将电子枪聚焦其中一个圆形浅色区时,仍观察到表层撕裂现象; 对其进行EDS分析,同样发现其Cl原子分数高于其他非圆形浅色覆盖区域(表1).由此推测,造渣精炼结束后,熔体迅速凝固,CaCl2均匀分布在合金及渣相中.由于CaCl2可溶于水和酸液中,所以不会对合金与渣剂的分离造成影响.对2种渣剂造渣后合金样品进行ICP-AES测试,Si-Cu合金中3种主要金属杂质(Fe、Al和Ca)的去除率如图7所示,含有CaCl2的渣剂明显具有较好的除杂效果.其原因可能是在造渣精炼过程中,Fe、Al和Ca均与O具有较强的亲和力,在
图6 Si-50%Cu和CaO-SiO2-CaCl2造渣后合金(a)和渣剂(b)表面的SEM图
Fig.6 SEM images of surfaces of Si-50%Cu alloy(a)and CaO-SiO2-CaCl2 slag(b)after slag refiningMOx+xCaCl2=MCl2x+xCaO(1)
由于生成的金属氯化物的沸点较低,所以在高温造渣条件下可以从熔渣中挥发,从而提高Fe、Al和Ca杂质的去除率.此外,渣剂中添加适量的CaCl2可提高渣剂的流动性,有利于形成薄边界层,从而提高杂质元素的质量传输与扩散能力,这有利于加快杂质与渣剂的反应速率,提高杂质的去除率.另有研究结果[15]表明,当CaCl2的含量过高时,渣剂中与杂质发生反应的CaO和SiO2的有效含量降低,导致Si中杂质被氧化的程度也随之降低,最终导致杂质的去除率下降.
表1 Si-50%Cu和CaO-SiO2-CaCl2造渣后两相的EDS分析
Tab.1 EDS analysis on the Si-50%Cu andCaO-SiO2-CaCl2 phases after slag refining2.4 不同合金成分对合金造渣的影响图8为3种合金造渣前后的微观形貌对比图,表2为Si-Cu合金相的EDS分析结果,可以发现随着合
图8 Si-30% Cu(a,b)、Si-50% Cu(c,d)、Si-70% Cu(e,f)合金分别与CaO-SiO2-CaCl2造渣前(a,c,e)后(b,d,f)的SEM图
Fig.8 SEM images of Si-30%Cu(a,b), Si-50%Cu(c,d),Si-70%Cu(e,f)alloys before(a,c,e)and after(b,d,f)CaO-SiO2-CaCl2 slag refining金中Cu质量分数的增加,Si-Cu合金中的Cu3Si合金相增多,这与XRD的分析结果一致.3种合金在造渣后均有不同程度的Cu析出.这是由于造渣冷却速度快,Cu在Si中溶解度降低导致Cu在Si中析出.随着Cu质量分数的增加,造渣后合金相中Cu析出现象越来越明显,且未析出部分的Cl原子分数高于析出部分的.这可能是因为Cl-趋于聚集覆盖在Cu表面,并且改变了Cu的还原电位,对合金中Cu的析出产生一定影响[24-25].
通过ICP-AES测试发现(图9):Al的去除率在90%以上,这是由于Al与O的亲和力较强,易生成Al2O3并迁移入渣相,最终通过渣硅分离而被去除; 且Al的去除率基本不随合金成分的变化而变化,这是由于Al的分凝系数相对较大,在合金相中的分布与Si相相比没有发生明显变化,所以改变Si-Cu合金的成分不会对Al的去除率产生明显影响.而随着合金中Cu质量分数的增加,不易被氧化的Fe杂质的去除率由小于50%提升至约70%.这是由于在金属Cu的作用下,Fe杂质分凝至Si-Cu合金相中,最终随着Si-Cu合金相与Si相的分离而去除.与之相反的是,Ca的去除率随合金中Cu质量分数的增加而下降.这可能是因为本实验中使用的渣剂为钙系渣,合金相的增加溶解了更多的Ca杂质,从而使得Ca的去除率不升反降.考虑到精炼成本,故以Si-30%Cu合金经造渣精炼后获得较优效果,Fe、Al和Ca的去除率分别为68%,94%和86%.
3 结 论
本研究将合金精炼新工艺与造渣精炼传统工艺相结合,探索了该组合工艺对冶金级硅中重点金属杂质的去除效果.结果表明:1)Si-Cu合金中主要物相为Si、Cu 和 Cu3Si,其中Cu3Si的含量随合金中Cu质量分数的增加而增加.2)造渣后的合金相中,Fe与Si形成了Si-Fe相.由于造渣后样品快速冷却,部分Cu溶剂进入到渣相中,所以在渣相中也发现了Si-Fe相.3)CaCl2添加剂可以有效提升钙系渣剂的除杂效率,金属杂质(Fe、Al和Ca)的去除率均有提升.4)提高Si-Cu合金中Cu的质量分数可以提高合金相的含量,但对金属杂质的去除率有不同影响,Fe的去除率升高,Al的去除率无明显变化,而Ca的去除率则降低.
- [1] SCHINDLER F,MICHL B,KRENCKEL P,et al.Optimized multicrystalline silicon for solar cells enabling conversion efficiencies of 22%[J].Solar Energy Materials and Solar Cells,2017,171:180-186.
- [2] 李亚琼,张立峰,马玉生,等.凝固精炼、造渣精炼提纯冶金硅的研究进展[J].功能材料,2017,48(3):3028-3034.
- [3] SAFARIAN J,TRANELL G,TANGSTAD M.Boron removal from silicon by CaO-Na2O-SiO2 ternary slag[J].Metallurgical and Materials Transactions E,2015,2(2):109-118.
- [4] MARGARIDO F,MARTINS J P,FIGUEIREDO M O,et al.Kinetics of acid leaching refining of an industrial Fe-Si alloy[J].Hydrometallurgy,1993,34(1):1-11.
- [5] GALGALI R K,MOHANTY B C,GUMASTE J L,et al.Studies on slag refining and directional solidification in the purification of silicon[J].Solar Energy Materials,1987,16(4):297-307.
- [6] DELANNOY Y,ALEMANY C,LI K I,et al.Plasma-refining process to provide solar-grade silicon[J].Solar Energy Materials and Solar Cells,2002,72(1/2/3/4):69-75.
- [7] JIANG D C,TAN Y,SHI S,et al.Removal of phosphorus in molten silicon by electron beam candle melting[J].Materials Letters,2012,78:4-7.
- [8] KHAJAVI L T,MORITA K,YOSHIKAWA T,et al.Thermodynamics of boron distribution in solvent refining of silicon using ferrosilicon alloys[J].Journal of Alloys and Compounds,2015,619:634-638.
- [9] YOSHIKAWA T,MORITA K.Refining of silicon during its solidification from a Si-Al melt[J].Journal of Crystal Growth,2009,311(3):776-779.
- [10] MITRAINOVI A M,UTIGARD T A.Refining silicon for solar cell application by copper alloying[J].Silicon,2009,1(4):239-248.
- [11] MA X D,YOSHIKAWA T,MORITA K.Si growth by directional solidification of Si-Sn alloys to produce solar-grade Si[J].Journal of Crystal Growth,2013,377:192-196.
- [12] 张立峰,李亚琼.太阳能级多晶硅的精炼方法[M].北京:冶金工业出版社,2017:81-85.
- [13] KEENE B J.A review of the surface tension of silicon and its binary alloys with reference to Marangoni flow[J].Surface and Interface Analysis,1987,10(8):367-383.
- [14] HUANG L Q,LAI H X,GAN C H,et al.Separation of boron and phosphorus from Cu-alloyed metallurgical grade silicon by CaO-SiO2-CaCl2 slag treatment[J].Separation and Purification Technology,2016,170:408-416.
- [15] OHSHIMA Y,YOSHIKAWA T,MORITA K.Effect of solidification conditions on Si growth for Si-Cu melts[C]∥Supplemental Proceedings:Materials Processing and Engery Materials. Hoboken:John Wiley & Sons,Inc.,2011:677-684.
- [16] MA X,YOSHIKAWA T,MORITA K.Purification of metallurgical grade Si combining Si-Sn solvent refining with slag treatment[J].Separation and Purification Technology,2014,125:264-268.
- [17] LI M,UTIGARD T,BARATI M.Removal of boron and phosphorus from silicon using CaO-SiO2-Na2O-Al2O3 flux[J].Metallurgical and Materials Transactions B,2014,45(1):221-228.
- [18] 杜冰,王志,孙丽媛,等.复合熔析精炼去除工业硅中的非金属杂质硼[J].过程工程学报,2015,15(3):393-399.
- [19] KRYSTAD E,JAKOBSSON L K,TANG K,et al.Thermodynamic behavior and mass transfer kinetics of boron between ferrosilicon and CaO-SiO2 slag[J].Metallurgical and Materials Transactions B,2017,48(5):2574-2582.
- [20] 曹盼盼,李佳艳,李亚琼,等.铝硅合金低温造渣精炼提纯冶金硅的研究[J].热加工工艺,2016,45(13):73-76,80.
- [21] JOHNSTON M D,BARATI M.Effect of slag basicity and oxygen potential on the distribution of boron and phosphorus between slag and silicon[J].Journal of Non-Crystalline Solids,2011,357(3):970-975.
- [22] PARK J H,MIN D J,SONG H S.The effect of CaF2 on the viscosities and structures of CaO-SiO2(-MgO)-CaF2 slags[J].Metallurgical and Materials Transactions B,2002,33(5):723-729.
- [23] ALZAMANI M,JAFARZADEH K.The effect of pre-oxidation treatment on corrosion behavior of Ni-Cu-Fe-Al anode in molten CaCl2 salt[J].Oxidation of Metals,2018,89(5/6):623-640.
- [24] GUO H Z,CHEN Y Z,PING H M,et al.Facile synthesis of Cu and Cu@Cu-Ni nanocubes and nanowires in hydrophobic solution in the presence of nickel and chloride ions[J].Nanoscale,2013,5(6):2394-2402.
- [25] 徐俊杰,朱律均,齐航,等.Cu的腐蚀与缓蚀的光电化学研究[J].金属学报,2008,44(11),1360-1365.