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多晶硅是光伏产业中制造太阳能电池的主要原材料,近年来多晶硅提纯领域得到了广泛的研究和发展。现今多晶硅定向凝固铸锭过程中,通常在石英坩埚表面涂覆一层氮化硅涂层以避免石英污染,但熔炼过程氮化硅涂层易脱落、分解甚至过饱和析出从而产生Si3N4颗粒夹杂,因此在得到的多晶硅铸锭四周会不可避免地受到N杂质的污染;同时,定向凝固炉普遍采用石墨加热方式,熔炼过程中石墨挥发使游离C进入硅熔体发生过饱和而析出SiC颗粒。因此在这一工艺过程中,铸锭顶部、底部及四周会被C、N元素污染从而被切割废弃成多晶硅尾料,废除率达到铸锭质量的30%。随着光伏产业对多晶硅需求的不断增长,传统的生产手段每年已经产生数千吨的尾料,并且仍在不断增长。此外,在多晶硅铸锭线锯切割过程中,切割浆料由于含有大量SiC颗粒而使得大量硅粉被废弃。回收铸锭尾料及线锯切割废料对于降低生产成本将起到重要作用。然而,对于多晶硅材料的回收,目前还没有一种成熟高效、可大规模应用的提纯分离技术。寻求晶硅尾料再生制造的有效、高效方式已成为行业亟待解决的关键问题,对硅资源的高效利用及产业的可持续发展具有重要意义。针对现有的多晶硅尾料提纯工艺所存在的不完善及低效的问题,本论文从冶金熔炼技术出发,采用在硅熔体中施加外场及提供化学动力的方式,通过研究C/N的析出物SiC/Si3N4在熔融硅中的迁移机制,为多晶硅尾料回收提供理论基础及高效提纯工艺。本论文采用的技术手段及得到的结论如下:(1)基于硅熔体与SiC/Si3N4颗粒电学性质上的差异,通过电磁感应施加横向物理场,探究了硅熔体及颗粒在洛仑兹力及其对熔体的定向搅拌作用下,颗粒在电磁感应场中的迁移规律。研究表明,施加感应电磁场后,SiC颗粒在硅熔体顶部和底部形成了宏观富集区,其作用机制是熔体定向流动为主,电磁力诱导为辅;在侧边缘形成了微米级的SiC富集层。在SiC单颗粒体系下,颗粒通过Ostwald熟化和准Ostwald熟化两种机制发生了接触与合并,增加线圈电流可促进这一作用。SiC颗粒在熔体中的沉降遵循Stokes定律。颗粒在侧边缘形成富集层是以电磁力诱导为主,熔体定向流动为辅。增加熔炼时间可增加边缘富集层厚度,提高线圈电流可压缩边缘SiC富集层,并同时提高富集层中的颗粒数量。颗粒迁移到熔体边缘区域的迁移速度主要由电磁力大小决定。通过电磁感应场的施加,熔炼45min后分离效率达到85.7%。并且短时间熔炼效率比现有研究最高提高了 20%。增大感应电流会显著提高分离效率,线圈电流在45A时仅熔炼10min分离效率便可达到97.6%。同时实现了电磁感应场对SiC/Si3N4混合颗粒系统的有效分离,得到的最高分离效率为88.3%。最后通过工业规模感应炉设备,实现了电磁感应场对质量达到390kg的多晶硅尾料的颗粒分离作用,分离效率达到了 70.2%。(2)采用在硅中添加易提纯元素Al的方式,研究了 A1与SiC的润湿及界面反应下SiC的吸除机制。同时,初步探究横向电磁场的施加对A1吸除SiC的增强作用。充实杂质颗粒在物理场及化学动力结合下迁移的理论基础。研究表明,随着Al添加量增加,SiC宏观富集区域逐渐向熔体底部迁移,最后形成沉降区,得到的最高分离效率为81.4%。A1含量增加到7.9%时富集区上移,分离效率降低。在非SiC颗粒富集区域的共晶Al中,同时存在未完全分解的SiC颗粒以及A1与SiC反应后的分解产物Al-C二元相。在Al/SiC结合区域,同时存在裂解未开始、裂解中及完全裂解的颗粒相。颗粒在Al/Si体系中的迁移分为三个阶段:A1对SiC的润湿吸附-SiC颗粒群形成及沉降-A1与SiC的双向渐进式界面扩散。提高熔体温度会显著减少SiC颗粒的分解量,并增加Al和C扩散进入共晶硅的扩散系数,从而降低了共晶硅的纯度。但升高温度可降低A1对SiC颗粒的润湿角,促进颗粒群的形成及沉降。电磁感应场与Al添加耦合后,SiC宏观富集区域逐渐迁移到铸锭的顶部中心,并随着熔炼时间增加不断集中缩小,该方式实现了颗粒相的单区域富集,并且分离效率达到88.1%。颗粒在顶部形成三维密排结构,颗粒间界面随着保温时间增加而逐渐消失,保温时间增加到45min后生成大量反应产物A14C3,延长保温时间有利于A1与SiC界面反应的进行。(3)基于电子束熔炼具有的高真空、纵向高温度梯度环境及对熔体流动性的增强作用,通过利用其优势条件,研究了纵向物理场施加过程中,硅中C/N的迁移行为,以及SiC/Si3N4析出物的生长机制及在铸锭中的分布规律。研究表明,电子束熔炼过程中,快速凝固可促进SiC的异质形核。同时高温度梯度使杂质在熔体中碰撞与结合几率提高,促进了颗粒群的形成。瞬时凝固后,大量颗粒悬浮于铸锭中部,但随着熔炼时间增加,悬浮颗粒量显著降低。通过调节凝固速率,缓慢凝固后SiC/Si3N4颗粒发生沉降,实现了该熔炼方式对颗粒的定向分离。并且增加熔炼时间后,C-O复合体不断向气液界面迁移,过程中不断消耗间隙O。最后,基于实验室的研究结果,通过工业规模电子束熔炼设备实现了对400kg多晶硅尾料中SiC/Si3N4颗粒的分离提纯,颗粒相沉积在熔炼坩埚底部的半固态凝壳中,通过倾倒实现了固相颗粒与液态硅熔体的完全分离,在凝固坩埚中得到了无夹杂的多晶硅铸锭,实现了电子束熔炼再生多晶硅尾料的工业应用。