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熔盐电解二氧化硅制备硅的研究

作　者: 陈家辉
导　师: 马文会
学　校: 昆明理工大学
专　业: 有色金属冶金
关键词: 熔盐电解硅 CaCl2-CaO-SiO2
分类号: TQ127.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

传统能源的日益枯竭严重地制约了社会与经济的发展,因而世界各国都致力于新能源的开发和利用。作为一种新型的可再生能源,太阳能具有无污染、清洁安全、相对持续等优点被誉为最理想的可再生资源之一。太阳能级硅是光伏产业最重要的原材料。近年来,伴随着光伏产业的迅速发展,对太阳能级硅的需求量也变得越来越大。但是传统的工艺由于流程长,工序复杂等因素导致了太阳能级硅的生产成本高居不下,制约了光伏产业与相关产业的发展。因此,研究和开发出一条制备太阳能级硅的新工艺是非常必要的。本文以二氧化硅粉末作为原料,原料无需压片与烧结等前期处理,直接采用熔盐电解的方法,制备出高纯硅。通过热力学计算得出,二氧化硅的分解电压为-1.683V,实验结果表明,在槽电压大于2.8V的情况下,都能得到产物硅。反应前后原料与产物中杂质的含量变化为：在反应前Fe,P以及B的含量分别为1050ppm,13.62ppm与6.62ppm。反应后变为204ppm,5.54ppm与12.52ppm。这能确定杂质主要来源于原料,电解过程中并没明显的杂质带入。在CaCl2-CaO-SiO2混合熔盐的速冷实验中通过比较熔盐体系中硅元素含量的变化,确定了熔盐内SiO2的分布趋势为：从底部往顶部逐渐减少的。熔盐的XRD检测结果表明在实验时产生了中间产物——正硅酸钙(Ca2SiO4),并通过CaO与SiO2二元相图对正硅酸钙的生成进行了理论分析。本文采用循环伏安法对三种不同组份的熔盐体系进行了电解机理研究。实验结果证明：1)高温下,CaO完全溶解在CaCl2中并与多孔坩埚内的SiO2粉末反应,生成正硅酸钙(Ca2SiO4)。2CaO+SiO2→Ca2SiO42)Ca2SiO4在阴极得到电子发生分解,生成CaO,硅以及氧离子。氧离子将在电场力的作用下,由阴极向阳极迁移并在阳极失去电子生成氧气溢出反应体系。Ca2SiO4+4e-→CaO+Si+2O2-3)还原得到的CaO再一次溶解在氯化钙熔盐中,继续与多孔坩埚内的SiO2粉末反应生成正硅酸盐。4)不断重复以上三个步骤,直到所有的原料都参与反应,被电解还原成硅。本实验采用自主设计的反应容器以及首次采用CaCl2-CaO混合熔盐作为实验的电解质体系,解决了固态传质困难以及二氧化硅的不导电等问题,改善了反应条件,充分体现了本方法的创新性与合理性。熔盐电解二氧化硅制备高纯硅相对于传统的生产工艺来说具有很多优点,受到了越来越大的关注,其有望发展成为一种流程短、低能耗、设备简单、环境友好的太阳能级硅制备新工艺。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-9
第一章绪论  9-22
  1.1 引言  9-10
    1.1.1 太阳能级多晶硅的发展趋势  9-10
    1.1.2 制备太阳能级硅新工艺的必要性  10
  1.2 太阳能级硅制备新工艺  10-14
    1.2.1 改良西门子法  11-12
    1.2.2 以SiCl_4为原料,用金属还原制备硅  12
    1.2.3 硅烷热分解法  12
    1.2.4 冶金法  12-13
    1.2.5 真空冶金法制备太阳能级硅新技术  13
    1.2.6 熔融盐电解法  13-14
    1.2.7 利用高纯试剂还原二氧化硅  14
  1.3 熔盐电解二氧化硅的国内外研究状况  14-20
    1.3.1 国外的研究状况  15-18
    1.3.2 国内的研究状况  18-20
  1.4 熔盐电解法直接制备太阳能级硅新工艺的提出  20-22
第二章实验方法及设计  22-31
  2.1 实验采用的设备以及仪器  22-23
  2.2 以CaCl_2为电解质体系的实验  23-25
    2.2.1 实验流程  23-25
  2.3 以CaO-CaCl_2为电解质体系的实验  25-31
    2.3.1 电解质体系的选择  26-28
    2.3.2 反应电极的改进  28-30
    2.3.3 实验操作  30-31
第三章以CaCl_2为电解质体系的实验结果与分析  31-39
  3.1 样品的检测  31-37
    3.1.1 激光拉曼光谱检测  31-35
    3.1.2 能谱检测  35-37
  3.2 电解机理的探讨  37-39
第四章以CaO-CaCl_2为电解质体系的实验结果与分析  39-57
  4.1 样品的检测  39-42
  4.2 杂质的来源  42
  4.3 混合熔盐的研究  42-46
  4.4 实验的电化学测试  46-52
    4.4.1 电化学方法的介绍  47
    4.4.2 电解机理分析  47-52
  4.5 通过实验探讨反应机理  52-55
    4.5.1 对比实验  52-54
    4.5.2 降压实验  54-55
  4.6 电解机理的反应过程  55-57
第五章结论与展望  57-59
  5.1 结论  57-58
  5.2 展望  58-59
参考文献  59-64
致谢  64-65
附录  65

熔盐电解二氧化硅制备硅的研究

内容摘要

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