随着近期晶硅太阳能电池组件成本的大幅下降,光伏发电在未来的两到三年之内即可迎来平价上网时代。届时,光伏市场将会对多晶硅原料产生前所未有的巨大需求。然而对于电池制备的切片环节,由于广泛应用的金刚线切割技术存在不可避免的切缝损失,切割过程会产生大量难以回收的硅粉废料,造成了严重的环境污染和资源浪费。因此,将硅粉废料再制造成高纯硅,对硅资源的绿色高效利用和降低光伏发电成本从而实现真正意义上的平民化应用意义重大。目前,冶金法被认为是最有可能解决该废料大规模回收的方法。然而,极低的硅出成阻碍了其现阶段的快速发展。因此,本文工作将围绕常规冶炼低硅出成问题解析和如何通过一系列高效方法改善硅出成率方面来展开。为了更有针对性地解决实际问题,本文对金刚线切割硅粉的基本特性进行了系统分析,确定了最佳研究对象,O等关键元素的检测方法,以及最佳预处理流程。揭示了常规冶炼低硅出成关键问题的起因,并提出了解决硅出成率问题的两个关键出发点:1.如何通过一定的高出成率、无污染、能量利用率高的技术手段改变硅粉废料的比表面积,使之适应传统的大规模冶炼,并最终得到高纯硅;2.如何通过采用一定的高能冶炼方式,并添加还原剂将氧化的硅粉重新还原,并最终得到高品级的工业硅。由此衍生出的一系列技术包括:1.面向高纯硅的高能量密度造粒技术和电子束连续熔粉技术;2.面向高品级工业硅的电弧熔炼技术。期望采用低成本、多元化和较为简洁的技术手段来提高硅出成率。并通过对不同技术手段的深入分析和研究,为真正实现金刚线切割硅粉的再利用提供有效的阶段性解决方案并打下坚实的理论基础。具体细节概括如下:（1）提出了用于回收金刚线切割硅粉废料的激光造粒技术。通过激光造粒所得到的硅块易被传统的真空熔炼炉在相对较低的温度熔化成一个质量较好的硅锭,并且该方法可以显著提高后续熔炼提纯过程中原料的填充效率和最终硅的出成率,相应的实验统计数据分别可以达到65.7%和94.7%。在激光造粒的过程中碳杂质的去除效率可以达到74.2%,经过30min的真空熔炼之后最终可以达到86%。除此之外,激光造粒过程在不引入任何其它杂质的前提下,对硅粉废料中例如Al、Na、Ca和Mg等多数金属杂质均有着较好的去除效果。硅块中残留的杂质可以进一步通过一般的真空定向凝固过程来进行去除。当激光的功率为2000 W,扫描间距为5 mm,扫描速度为6 mm/s时,对应单个激光头的硅块的产能为1.91 kg/h,能耗为2.63 kWh/kg,硅块的出成率大于97%,被证明是目前最为简单和高效的高能量密度造粒技术。（2）提出了用于回收金刚线切割硅粉废料的非转移电弧造粒技术。最终硅的出成率和填充效率分别可以达到93.9%和73%。为了对非转移电弧造粒过程有一个深入的了解,我们通过理论解析了空心硅块的形成机理,对杂质的去除效率、能耗以及后续的熔炼效果进行了综合分析。并通过正交实验进一步确定了连续高效制备实心硅块的临界条件,具体的参数为:焊机输出功率7.5 kW、垂直扫描高度3 mm、扫描速度5 mm/s。相应的硅块出成率超过96%。实验表明,在不引入其他杂质的情况下,造粒过程对C、Al、Na等大部分杂质均有良好的去除效果,且残余杂质还可以进一步通过真空定向凝固过程加以去除。由于极低的设备投资成本和巨大的提升空间,该方法被证明是目前最有可能快速实现规模产业化的高能量密度造粒技术。（3）在实验级的电子束设备上通过自制的螺旋加粉装置实现了超细硅粉的连续熔炼。通过对三种不同硅熔池预制方法的比较,我们揭示了电子束熔炼硅粉的特点,其中高纯硅块的应用是稳定和高效制备硅熔池的最有效方法。预制硅熔池连续熔粉的理论可行性分析表明,超细硅粉主要在硅熔池的表层进行熔化,这对于去除P等易挥发性杂质十分有利。在连续加粉的熔炼过程中,P杂质的实际去除效率最高可达到46.5%。随着粉末加料率的增加,P杂质的去除效率会降低。但适当提高加粉速率不仅有利于提高硅粉的熔炼效率,而且还有利于改善所得硅锭的均匀性。本实验最佳的加粉速率为10 g/min,与之对应的P杂质去除效率为46%。与目前广泛使用的传统熔炼块工艺相比,达到相同的P杂质去除效果,连续熔粉过程可以节约近27%的熔炼时间,对于进一步降低电子束的熔炼成本意义重大。（4）我们通过100 kW的电弧熔炼实验,证实了将金刚线切割硅粉直接用于电弧熔炼的可行性。实际操作表明,想要稳定起弧必须具备两个最基本的条件:1.在初始填料过程中,应尽量减少硅粉填料对放电弧区的干扰;2.应尽快在电极与放电底板之间形成液态硅层以避免放电底板的过度烧蚀。若想实现对金刚线切割硅粉废料的连续稳定熔炼,交流电源输出功率至少应该保证在39.5 kW以上。当输出功率稳定在39.5kW时,硅的实际出成率大于92.2%,且随着连续熔炼的不断进行,最终硅的出成率会不断趋近于97.9%的理想数值。所得工业硅品级较高为1101级别,具备非常好的产业化前景。