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        電磁感應(yīng)輔助等離子體熔煉去除金屬硅中的硼

        2012-12-14 07:43:48盧成浩李錦堂馬文會(huì)羅學(xué)濤
        關(guān)鍵詞:損失率等離子等離子體

        蔡 靖,盧成浩,李錦堂,馬文會(huì),羅學(xué)濤

        (1.廈門(mén)大學(xué) 材料學(xué)院,廈門(mén) 361005;2.昆明理工大學(xué) 真空冶金國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室,昆明 650093)

        伴隨太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展,太陽(yáng)能級(jí)多晶硅(Solar grade polycrystalline silicon, SOG-Si)的市場(chǎng)需求日益增加[1-2]。由于傳統(tǒng)的西門(mén)子法工藝復(fù)雜、能耗大、存在污染與安全等問(wèn)題,因此,開(kāi)發(fā)冶金法制備太陽(yáng)能級(jí)多晶硅更具有現(xiàn)實(shí)意義[3]。在冶金法制備太陽(yáng)能級(jí)多晶硅的過(guò)程中,雜質(zhì)硼的去除一直是一大難題。這是因?yàn)榕鹪诠柚械姆帜禂?shù)較大,飽和蒸氣壓較低,難以通過(guò)傳統(tǒng)的定向凝固和真空冶煉除去[4-5]。目前,等離子體熔煉是一種有效的除硼方法。

        等離子體熔煉是利用等離子弧作為熱源來(lái)熔化、精煉金屬的一種冶煉方法。由于等離子弧屬于壓縮電弧,能量高度集中,是一個(gè)高熱、高溫的能源。等離子體熔煉除硼正是基于等離子體的超高溫,在氧化性氣體作用下,使硼活性氧化形成易揮發(fā)的化合物從硅液中逸出[6],從而達(dá)到有效去除硼的目的。

        基于上述原理,世界各國(guó)都在競(jìng)相開(kāi)發(fā)等離子體熔煉除硼的新工藝[7-9]。LEE等[10]采用Ar+H2+H2O等離子體熔煉30 min,損失了約8%的硅,硼去除率約為65%。SUZUKI等[11]采用Ar+1.24% H2O(體積分?jǐn)?shù))等離子體,將金屬硅(MG-Si)中的硼含量從35.7×10-6降至0.4×10-6(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同)。IKEDA等[12]通過(guò)旋轉(zhuǎn)等離子體技術(shù)進(jìn)一步提高了硼去除率,硼含量可由12×10-6降至 1×10-6以下。NAKAMURA 等[13]則采用 Ar+H2O+O2等離子體,研究不同實(shí)驗(yàn)規(guī)模下(0.6~300 kg)等離子體熔煉除硼的效果。WU等[14]對(duì)等離子體熔煉中的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)與機(jī)理進(jìn)行了研究,得出氣態(tài)硼氫氧化物比硼氧化物更易揮發(fā)。

        雖然等離子體熔煉具有很好的除硼效果,但易導(dǎo)致硅在高溫下同時(shí)被氧化,從而造成硅損失。在產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用中,若直接采用等離子體加熱熔化、精煉,勢(shì)必導(dǎo)致加熱不均勻、成本過(guò)高等問(wèn)題。為此,ALEMANY 等[15-16]將電磁感應(yīng)加熱攪拌與等離子體熔煉相結(jié)合,硼含量可由15×10-6降至2×10-6以下,但因采用非轉(zhuǎn)移弧等離子體,其有效功率較低。

        為進(jìn)一步提高熔煉功率、降低能耗和成本,減少硅損失,本文作者采用電磁感應(yīng)加熱輔助轉(zhuǎn)移弧等離子體熔煉除硼,即通過(guò)電磁感應(yīng)加熱攪拌,使硅熔化,并加速雜質(zhì)硼向硅液表面的遷移,使其在等離子體熔煉過(guò)程中與反應(yīng)氣體充分接觸,從而達(dá)到更有效的除硼效果。

        1 實(shí)驗(yàn)

        原料硅分為兩種,一種是低硼含量(8.6×10-6)的金屬硅,另一種是高硼含量(22×10-6)的金屬硅。實(shí)驗(yàn)采用自主設(shè)計(jì)的等離子體熔煉系統(tǒng),其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示,主要包括等離子體發(fā)生裝置、感應(yīng)加熱裝置和工作電源(未標(biāo)出)3大部分。

        其中,等離子體發(fā)生裝置包括轉(zhuǎn)移弧等離子槍與引弧裝置。感應(yīng)加熱裝置主要由感應(yīng)線(xiàn)圈和石墨坩堝組成。轉(zhuǎn)移弧等離子槍位于石墨坩堝上方,并可垂直升降。轉(zhuǎn)移弧等離子槍的示意圖如圖2所示,等離子槍主要由陰極、輔助陽(yáng)極、氣路系統(tǒng)和水冷系統(tǒng)組成。其中,陰極為難熔的鎢金屬棒,輔助陽(yáng)極用導(dǎo)熱性能良好的紫銅管焊接而成。氣路系統(tǒng)包括工作氣體和載氣氣路,前者包括水蒸氣(H2O)與氧氣(O2)等氧化性氣體,氬氣(Ar)為載氣。通常采用水冷來(lái)防止槍體過(guò)熱,并減小陰極材料的燒蝕率。

        圖1 等離子體熔煉系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic drawing of plasma melting system: 1—Transfer arc plasma torch; 2—Lifting device; 3—Furnace body;4—Arc initiating device; 5—Graphite crucible; 6—Induction coil

        實(shí)驗(yàn)中,先采用電磁感應(yīng)加熱熔化石墨坩堝中的金屬硅。待硅完全熔化后,提高電源功率,使硅液溫度保持在1 773~1 973 K。啟動(dòng)等離子體熔煉系統(tǒng),將等離子槍降至引弧裝置上方,通入氣體,開(kāi)始引弧。當(dāng)引弧完成后,移開(kāi)引弧裝置,調(diào)節(jié)給定電流,調(diào)整等離子弧長(zhǎng)度,對(duì)硅液表面進(jìn)行等離子體熔煉。相關(guān)實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1所列。熔煉完成后,將給定電流調(diào)零,斷開(kāi)等離子弧,升起等離子槍?zhuān)⑼V雇?。最后,關(guān)閉感應(yīng)線(xiàn)圈電源,將硅液倒入澆注用石墨坩堝中,進(jìn)行定向凝固。采用二次離子質(zhì)譜(SIMS,TOF.SIMS 5,ION-TOF)測(cè)量熔煉前后硅中的硼雜質(zhì)含量。

        表1 等離子體熔煉實(shí)驗(yàn)參數(shù)Table1 Experimental parameters of plasma melting

        2 結(jié)果與討論

        2.1 反應(yīng)氣體對(duì)除硼效果的影響

        為研究不同反應(yīng)氣體的除硼效果,在其他實(shí)驗(yàn)條件不變的情況下,比較了分別采用 Ar+0.75%O2和Ar+1.5%H2O熔煉10和20 min后硼的去除效果,如圖3所示。

        從圖3可以看出,不同的熔煉時(shí)間內(nèi)(10 min和20 min),Ar+1.5%H2O等離子體的硼去除率比Ar+0.75%O2等離子體均高出9%~10%,由此可以認(rèn)為在相同的氧含量下,采用H2O作為反應(yīng)氣體可能具有更好的除硼效果。

        這是由于等離子體熔煉時(shí),陽(yáng)極(硅液表面)可達(dá) 3 600~4 000 K,在該高溫下,當(dāng)通入H2O或O2作為反應(yīng)氣體時(shí),B很容易氧化,并分別以氣態(tài)硼氫氧化物或硼氧化物的形式逸出[14]。根據(jù)熱力學(xué)計(jì)算,氣態(tài)硼氫氧化物的蒸氣壓要高于硼氧化物的,如在生成的SiO以氣態(tài)形式揮發(fā),從而有利于硼在反應(yīng)過(guò)程中的不斷逸出,提高了除硼效果。圖4所示為采用不同組成的Ar+H2O熔煉10 min后硼去除率與硅損失率。由圖4可以看出,伴隨H2O含量的增加,硼1 850 K時(shí)BOH的揮發(fā)性約是BO的10倍[15],因此,采用Ar+H2O等離子體除硼時(shí),硼具有更好的揮發(fā)性。

        圖3 初始硼含量為 22×10-6時(shí)不同反應(yīng)氣體除硼效果的比較Fig.3 Comparison of removal efficiency of boron by different reacting gases at initial boron content of 22×10-6

        圖4 不同水蒸氣含量對(duì)除硼率和硅損失率的影響Fig.4 Effects of water vapor content on boron removal rate and silicon loss rate

        另一方面,由于采用O2作為氧化性氣體時(shí),硅液表面會(huì)形成一層SiO2膜,這層膜限制了硼元素從硅液向外的擴(kuò)散,從而限制了硼的揮發(fā)。當(dāng)通入H2O時(shí),它會(huì)分解成不穩(wěn)定的H和O,與SiO2膜發(fā)生如下反應(yīng)[11-12]:去除率與硅損失率都呈線(xiàn)性增加。

        2.2 熔煉時(shí)間對(duì)除硼效果的影響

        采用Ar+1.5%H2O作為反應(yīng)氣體,研究不同熔煉時(shí)間對(duì)硼去除率和硅損失率的影響,其結(jié)果如圖5所示。

        圖5 熔煉時(shí)間對(duì)除硼率和硅損失率的影響Fig.5 Effects of melting time on boron removal rate and silicon loss rate

        由圖5可以看出,在熔煉初期,硼去除率迅速增加,熔煉15 min時(shí),硼去除率達(dá)到約91.8 %。隨后,硼去除率增加趨勢(shì)變緩,這是由于硅液中硼含量限制了反應(yīng)速率的變化,熔煉30 min左右,硼去除率達(dá)到最大值,約為99.1%,硅中的硼含量從初始的22×10-6降至約0.2×10-6。隨著熔煉時(shí)間的增加,硅損失率一直呈線(xiàn)性增加,熔煉30 min后,達(dá)到15.7 %左右。由于太陽(yáng)電池對(duì)硼雜質(zhì)含量要求是低于 0.3×10-6,因此,為了提高硅的產(chǎn)率,應(yīng)合理安排等離子體熔煉時(shí)間,在保證除硼效果的同時(shí),盡可能減少硅的損失。當(dāng)總的反應(yīng)速度是由硅液中硼的擴(kuò)散傳質(zhì)控制時(shí),有如下關(guān)系:

        式中:k是反應(yīng)的表觀(guān)速率常數(shù),s-1;[B]、[B]i和[B]0分別為不同熔煉時(shí)間時(shí)硅液內(nèi)部硼含量、硅液表面硼含量和硅液初始硼含量。

        假設(shè)硅液表面的硼含量[B]i由于不斷被反應(yīng)消耗,接近于0,則式(3)可寫(xiě)作:

        圖6 ln([B]/[B]0)與熔煉時(shí)間的線(xiàn)性關(guān)系Fig.6 Linear relationship between ln([B]/[B]0) and melting time

        根據(jù)圖5數(shù)據(jù),可得ln([B]/[B]0)與熔煉時(shí)間t的關(guān)系,結(jié)果如圖6所示。從圖6可以看出,ln([B]/[B]0)與t基本呈線(xiàn)性關(guān)系,式(4)中的k值可由圖中直線(xiàn)斜率求出,約為2.6×10-3s-1。由以上結(jié)果,可以通過(guò)式(5)計(jì)算出硼在硅液中的傳質(zhì)系數(shù)k′[11-12]:

        式中:A為硅液的反應(yīng)面積,m2;V為硅液的體積,m3。根據(jù)坩堝尺寸,A可估算為0.031 m2。當(dāng)硅的質(zhì)量為3 kg時(shí),根據(jù)液態(tài)硅的密度[17],可計(jì)算出V約為1.17×10-3m3,將以上數(shù)值代入式(5),得出k′約為9.8×10-5m/s。該值是以一維狀態(tài)下的線(xiàn)性計(jì)算為基礎(chǔ)推導(dǎo)出的,近似認(rèn)為傳質(zhì)反應(yīng)在整個(gè)硅液表面均勻進(jìn)行,忽略了實(shí)際熔煉中等離子弧有效范圍、坩堝和氣體環(huán)境等因素的影響。例如,在實(shí)際熔煉中,等離子弧的范圍較集中,A要遠(yuǎn)低于理論估算的數(shù)值,所以,實(shí)際的傳質(zhì)系數(shù)要大于理論計(jì)算結(jié)果。

        2.3 初始硼含量對(duì)除硼效果的影響

        圖7所示為低硼金屬硅和高硼金屬硅在相同工藝條件下經(jīng)過(guò)等離子體熔煉后 ln([B]/[B]0)與熔煉時(shí)間t的關(guān)系。

        從圖7可以看出,采用不同初始硼含量的金屬硅進(jìn)行等離子體熔煉,ln([B]/[B]0)與t一直呈線(xiàn)性關(guān)系,但當(dāng)初始硼含量降低時(shí),直線(xiàn)斜率,即反應(yīng)的表觀(guān)速率常數(shù)k也相應(yīng)減小。初始硼含量由 22×10-6降至8.6×10-6時(shí),k由 2.6×10-3s-1降低至 1.9×10-3s-1。值得注意的是,無(wú)論采用何種原料硅,當(dāng)熔煉時(shí)間超過(guò) 25 min后,硅中硼含量最低均可降至 0.2×10-6~0.5×10-6。改變初始硼含量對(duì)除硼效果無(wú)明顯影響,但熔煉過(guò)程中,硅損失率隨時(shí)間一直呈線(xiàn)性增加,其結(jié)果如圖8所示。當(dāng)采用Ar+1.5%H2O等離子體時(shí),硅損失率約為0.5%/min。

        圖7 不同初始硼含量下ln([B]/[B]0)與熔煉時(shí)間的線(xiàn)性關(guān)系Fig.7 Linear relationship between ln([B]/[B]0) and melting time at different initial boron contents

        圖8 不同初始硼含量下硅損失率與熔煉時(shí)間的關(guān)系Fig.8 Relationship between silicon loss rate and melting time at different initial boron contents

        3 結(jié)論

        1) 當(dāng)采用不同反應(yīng)氣體時(shí),Ar+H2O的硼去除率比Ar+O2的硼去除率提高了9%~10%,這是因?yàn)镠2O可以有效抑制硅液表面SiO2膜的形成,同時(shí),硼以硼氫氧化物的形式逸出,具有更好的揮發(fā)效果。H2O含量從0增加至1.5%,硼去除率與硅損失率也相應(yīng)呈線(xiàn)性增加。

        2) 采用Ar+1.5%H2O等離子體時(shí),隨熔煉時(shí)間的增加,硼去除率在前15 min迅速增加,30 min后達(dá)最大值 99.1%,硼在硅液中的傳質(zhì)系數(shù)約為 9.8×10-5m/s,硅損失率約為0.5%/min。

        3) 除硼效果與硅損失率和初始硼含量基本無(wú)關(guān),并且ln([B]/[B]0)與t一直呈線(xiàn)性關(guān)系。

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