多晶硅精炼提纯过程中铝硅合金的低温电解分离.pdf

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多晶硅精炼提纯过程中铝硅合金的低温电解分离1 多晶硅精炼提纯过程中铝硅合金的低温电解分离2 多晶硅精炼提纯过程中铝硅合金的低温电解分离3 多晶硅精炼提纯过程中铝硅合金的低温电解分离4 多晶硅精炼提纯过程中铝硅合金的低温电解分离5 多晶硅精炼提纯过程中铝硅合金的低温电解分离6
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多晶硅精炼提纯过程中硅铝合金的低温电解分离多晶硅精炼提纯过程中铝硅合金的低温电解分离—ElectrochemicalSeparationofAluminumsiliconAlloyatLowTemperatureDuringSiSolidificationRefiningProcess李佳艳,李超超,李亚琼,谭毅(1大连理工大学材料科学与工程学院,辽宁大连116024;2大连理工大学辽宁省太阳能光伏系统重点实验室,辽宁大连116024)———LIJiayan,LIChaochao一,LIYaqiong,TANYi,。(1SchoolofMaterialsScienceandEngineering,DalianUniversityofTechnology,Dalian116024,Liaoning,China;2KeyLaboratoryforSolarEnergyPhotovoltaicSystemofLiaoningProvince,DalianUniversityofTechnology,Dalian116024,Liaoning,China)—摘要:选用A1C1sNaC1一KC1作为电解液,铝硅合金作为阳极、不锈钢作为阴极,恒电流电解条件下实现了多晶硅精炼提纯中硅铝合金的低温分离。结合扫描电子显微镜、X射线衍射仪等检测手段,研究电解温度、电流密度、电解时间等实验参数对电流效率、沉积铝形貌的影响。研究结果表明:在电流密度为50mA/cm。,电解温度200 ̄C,电解时间60min的条件下,Si-50AI(质量分数,下同)阳极合金经阳极腐蚀后,阴极电极效率达到最大值93.7%,富硅阳极泥中含有90.4%的多晶硅。关键词:精炼;多晶硅;低温熔盐;铝;分离—doi:10.3969/j.issn.10014381.2013.11.001中图分类号:TF821文献标识码:A——文章编号:10014381(2013)11-000105-—Abstract:TheelectrochemicalseparationofaluminumsiliconalloyinthelOWtemperaturemoltensalt——A1C13一NaC1一KC1atconstantcurrentdepositionwasstudied.Aluminumsiliconalloyfortheanodeelectrodeandstainlesssteelforthecathodeelectrodewereused.Theeffectsoftemperature,currentdensityandtimeonthecurrentefficiencyandthemorphologyofdepositedaluminumwereanalyzedby——thescanningelectronmicroscopeandXraydiffraction.Theresultsshowthat,whenthecurrentdensityis50mA/cm。,themaximumcurrentefficiencycanreach93.7at2oo ̄Cfor60minusingSi一50Al(massfraction)asanodeelectrode,andthereiS90.4siliconintheanodeslime.Keywords:refining;silicon;lowtemperaturemoltensalt;aluminum;separation光伏产业的迅速发展激发了制造业对太阳能电池材料的巨大需求。多晶硅作为硅太阳能电池的主要材料,其提纯成本和产品质量成为光伏产业稳步发展的重要因素l_1]。冶金法是一种低成本、低能耗的多晶硅提纯方法。合金精炼法作为其中一种,其过程为:先向硅中加入铝[4--83、铜[-9--123、锡¨]、铁¨等金属中的一种或几种与硅形成硅合金熔体;再通过控制降温速度,利用杂质在初晶硅与合金熔体之间的分凝效应进行提纯。采用合金精炼法能够有效降低多晶硅中杂质含量,但是如何分离硅、铝是目前此方法实际应用的难点问题。目前,对于硅铝合金相的分离方法主要有酸洗、过滤I1]、感应熔炼口等方法。酸洗能有效去除初晶硅中金属杂质,但需要消耗大量酸试剂与金属,造成环境污染、增加能耗。过滤方法能在熔体凝固过程中分离初晶硅与合金熔体,但操作温度高,设备复杂;采用具有温度梯度的感应熔炼方法能得到富集的多晶硅相,但不利于柱状多晶硅的连续稳定生长。针对目前研究最广泛的铝硅合金提纯体系,本实验采用A1C1。一NaC1一KC1低温熔盐体系,利用电解法实现多晶硅与金属铝的分离、高纯铝的回收。结合电子扫描电镜、x射线衍射仪等检测手段,研究电解温度、电流密度、电解时间等参数对电流效率、沉积铝形貌的影响。从而得到低温熔盐电解方法的最优实验参数,多晶硅精炼提纯过程中硅铝合金的低温电解分离FeCr0.29Ni0.16C0.06和Cr的峰;电解实验后,不锈钢电极上已经被一层沉积物质覆盖,由XRD结果可以看出沉积物主要成分为金属铝。荧光分析得到阴极产物中铝含量:92.7%,氧含量:7.3,其中氧为铝在空气中氧化所致。电沉积收集的金属铝经重熔后可重复进行合金精炼提纯多晶硅,或经偏析提纯处理后应用于铝合金制造行业。20/o)图5电极基板及阴极铝XRD图Fig.5XRDpatternsofcathodeelectrodeandelectrodeposit4结论—(1)采用电解法在A1C1。一NaCIKC1低温熔盐体系中能实现铝硅合金中多晶硅的分离、高纯铝的回收。(2)金属铝回收的最优实验条件为:电解温度℃200,电流密度50mA/cm。,电解时间60min,阳极铝硅合金成分Si一50Al。电流效率为93.7,阴极产物中铝含量:92.7%,氧含量:7.309/6;富硅阳极泥中含有90.4%的硅。(3)电化学分离得到的多晶硅可应用于太阳能电池的制备行业;电沉积得到的金属铝可重复应用于铝硅合金精炼提纯多晶硅或铝合金制备。[1][2][3]参考文献CANIZ0CD,COSOGD,LUQUEA,eta1.Ultrapurjficationofsiliconforphotovohaicapplications[J].AdvancesinScience—andTechnology,2010,74:99106.谭毅,郭校亮,石爽,等.冶金法制备太阳能级多晶硅研究现状—及发展趋势[J].材料工程,2013,(3):9096.TANYi,GUOXiao-liang,SHIShuang,eta1.Researchstatusanddevelopmentofmetallurgicalmethodforsolargradesilicon—(SOGSi)口].JournalofMaterialsEngineering,2013,(3):90—96.谭毅,孙世海,董伟,等.多晶硅定向凝固过程中固一液界面特性—研究[J].材料工程,2012,(8):3338.——TANYi,SUNShihai,D0NGWei,eta1.Researchofsolidliq-[4][5][6]E7][8][9][1O-I[11][12][13][14][15][16][17][18][19-1uidinterfacepropertyduringdirectionalsolidificationprocessformulticrystallinesilicon[J].JournalofMaterialsEngineering,—2Ol2,(8):3338.—OBINATAI,KOMATSUN.Methodofrefiningsiliconbyallo—ying[R].ScienceReportsoftheResearchInstitutes,TohokuUniversitySetA,Physics。ChemistryandMetallurgy。1957.A一9.YOSH1KAWAT,MORITAK.Removalofphosphorusbythe——solidificationrefiningwithSiA1melts[J].ScienceandTechnolo—gyofAdvancedMaterials,2003,4(6):531537.DAWLESSRK.Boronremovalinsiliconpurificationpatent[P].USAPatent:4312848,1982.—Y0SHIKAWAT。MORITAK.Refiningofsiliconduringitsso—lidifieationfromaSiA1melt[J].JournalofCrystalGrowth,—2009,311(3):776779.—Y0SHIKAWAT,M0RITAK.Thermodynamicsonthesolidifi—cationrefiningofsiliconwithSiAImelts[C]//SanFrancisco:TMSAnnualMeeting,2005.JUNEJAJM,MUKHERJEETK.Astudyofthepurificationofmetallurgicalgradesilicon[J].Hydrometal1urgy,1986,16(1):69—75.—TEJEDORP,OLSONJM.SiliconpurificationbythevanAr—kelDEboertechniqueusingaCu3Si:Sicompositealloysource——[J].JournalofCrystalGrowth,1988,89(23):220226.MITRASINOVICA,UTIGARDT.Refiningsiliconforsolarcellapplicationbycopperalloying[J].Silicon,2009,1(4):239—248.DAWLESSRK.Siliconpurificationmethodusingcopperor—copperaluminumsolventmetalpatent[P].USAPatent:4822585。1989.——ZHA0LX,WANGZ,GUOZC,eta1.Lowtemperaturepurificationprocessofmetallurgicalsilicon[J].TransactionsofNonferrousMetalsSocietyofChina,2011。21(5):1185一l192.—ESFAHANIS.Solventrefiningofmetallurgicalgradesiliconusingiron[D].Toronto:UniversityofToronto,2010.—GUMASTEJL,M0HANTYBC,GALGALIRK,eta1.Solventrefiningofmetallurgicalgradesilicon[J].SolarEnergy—Materials,1987,16(4):28996.GUXin,YUXue-gong,YANGDe-ren,eta1.Low-costsolargrade—siliconpurificationprocesswithAI-Sisystemusingapowdermetallurgytechnique[J].SeparationandPurificationTechnology,2011,—77(1):3339.YOSHIKAWAT。MORITAK.ContinuoussolidificationofSi——fromSiAImeltundertheinductionheating[J].ISIJInterna—tional,2008,47(4):582584.邱竹贤.冶金学[M-1.沈阳:东北大学出版社,2001.李景升,杨占红,王小花,等.A1C1。一NaC1一KC1熔融盐中铝的电—沉积I-J].中南大学学报:自然科学版,2008,39(4):672676.———LIJingsheng,YANGZhanhong,WANGXiaohua,eta1.Electr0depositionofaluminumfromA1CI3一NaC1一KCImoltensalt[J].JournalCentralSouthUniversity:ScienceandTechnology,—2008,39(4):672676.(下转第11页)含钪A1一Zn-Mg合金的热变形行为和显微组织11——LIHongen,SHAAixue.Effectsofhotprocessparameterson—flowstressandmicrostructuresofTC18titaniumalloy[J].Jour—nalofMaterialsEngineering,2010,(1):8588.[1O3NAKAIM,ETOT.Newaspectsofdevelopmentofhigh—strengthaluminumalloysforaerospaceapplicati0ns[刀.Materi——alsScienceandEngineeringA,2000,285(12):6268.[11]廖舒纶,张立文,岳重祥,等.GCrI5热变形行为与流变应力模型—的研究口].材料工程,2008,(4):810,14.———LIAOShulun,ZHANGLiwen,YUEChong-xiang,eta1.ResearchonthermaldeformationbehaviorandmodelofflowstressofGCrl5steel[J].JournalofMaterialsEngineering,2008,(4):—810,14.[12]IWAMURAS,MIURAY.LossincoherencyandcoarseningbehaviorofAI3Scprecipitates[J].ActaMaterialia,2004,52(7):591~600.[13]李雄,张鸿冰,阮雪榆,等.40Cr钢流变应力的分析及模拟[J].—材料工程,2004,(11):4144,49.——LIXiong,ZHANGHongbing,RUANXueyu,eta1.Analysis—andmodelingofflowstressof40Crsteel[J].JournalofMateri—alsEngineering,2004,(11):4144,49.———[143何振波,李慧中,梁霄鹏,等.AlZnMgSc-Zr合金的热变形行—为及加工图[J].中国有色金属学报,2011,21(6):12201228.————HEZhenbo,LIHuizhong,LIANGXiaopeng,eta1.Hotdef——brmationbehaviorandprocessingmapofAI。Zn。Mg-Sc-・Zralloy口].TheChineseJournalofNonferrousMetals,2011,21(6):—1220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