通过氯化处理结合电子束诱导定向凝固法去除硅中的金属杂质

《Separation and Purification Technology》：Removal of metal impurities from silicon via chlorination coupled with electron beam induced directional solidification

太阳能级硅（SoG-Si）制造中，通过添加微量MgCl2实现氯化和电子束熔炼（EBM）定向凝固协同作用，有效去除铝（Al）、钙（Ca）、铁（Fe）、钛（Ti）等金属杂质，总含量从647.11 ppmw降至<0.60 ppmw，Al、Fe、Ti含量均<0.10 ppmw。

　　在当前太阳能产业迅速发展的背景下，太阳能级硅（SoG-Si）作为光伏电池的核心材料，其纯度和质量对整体性能具有决定性影响。传统的SoG-Si生产方法通常依赖于复杂的工艺流程，如改良西门子法，但该方法存在高能耗、高污染等问题，限制了其在环保和经济性方面的应用。因此，研究更为高效、清洁的冶金方法以实现SoG-Si的制备成为科学界关注的重点。

本研究提出了一种结合氯化和电子束诱导定向凝固的新型技术，旨在通过一次熔炼过程显著降低金属杂质的含量，从而提升SoG-Si的纯度。该技术的核心在于利用氯化反应和电子束熔炼的协同效应，使金属杂质如铝（Al）、钙（Ca）、铁（Fe）和钛（Ti）在高真空环境中被有效去除。通过在电子束熔炼（EBM）精炼阶段加入微量的氯化镁（MgCl?），不仅促进了这些金属杂质的氯化反应，还增强了其在高温真空条件下的蒸发能力，从而减轻后续定向凝固过程的杂质去除负担。此外，电子束熔炼过程中产生的高电压电场进一步优化了杂质的迁移行为，使得金属杂质在凝固过程中能够更有效地被排除。

在实验过程中，电子束熔炼技术的应用使得Si熔体能够在高真空条件下实现高效的杂质去除。通过调节电子枪电压，研究人员能够在定向凝固阶段实现对金属杂质的精确控制，从而提高整体去除效率。这种方法的优势在于，它不仅能够减少对环境的影响，还能显著降低生产过程中的能耗，为实现绿色、可持续的SoG-Si生产提供了新的思路。

研究结果表明，通过这种协同技术，SoG-Si材料中超过90%的区域内的金属杂质含量从初始的647.11 ppmw降低至低于0.60 ppmw，其中Al、Fe和Ti的含量更是低于0.10 ppmw。这一成果验证了氯化与电子束诱导定向凝固技术结合的有效性，并展示了其在提升SoG-Si纯度方面的巨大潜力。此外，该方法还简化了传统的多步骤生产流程，为实现高效、低成本的SoG-Si制备提供了可行的技术路径。

本研究的创新点在于，首次在电子束熔炼过程中引入氯化反应，并通过实验验证了其对Fe和Ti杂质的去除效果。以往的研究普遍认为，在电子束熔炼阶段难以有效去除Fe和Ti，但本研究通过引入微量MgCl?，成功实现了这些金属杂质的高效去除。这一发现不仅拓宽了电子束熔炼技术的应用范围，也为金属杂质的去除提供了新的思路和方法。

此外，本研究还强调了高电压电场在定向凝固过程中的重要作用。电子束熔炼产生的电场能够引导杂质在熔体中的迁移，从而增强其在凝固过程中的分离效果。这一现象在实验中得到了充分验证，表明通过优化电场强度和方向，可以进一步提升杂质去除效率，实现更高质量的SoG-Si材料。

综上所述，本研究提出了一种基于氯化与电子束诱导定向凝固的协同技术，通过一次熔炼过程实现了对多种金属杂质的高效去除。这种方法不仅提高了SoG-Si的纯度，还显著降低了生产过程中的能耗和环境污染，为光伏产业的可持续发展提供了有力的技术支持。未来，该技术有望在实际生产中得到广泛应用，推动太阳能级硅材料的高效、绿色制备。