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我国已成功地实现了太阳能冶炼高纯硅
发布者:admin  日期:2011/7/18 15:15:38  点击:414

据2009年《中国物理快报》刊登的《Silicon Purification by a New Type of Solar Furnace》一文报导:由陈应天教授等人所发明太阳能炼硅的新技术,已宣告成功。

太阳能级高纯硅,SoG Silicon(注:硅纯度至少要达到6个9,或杂质含量不得高于百万分之一,PPM量级),是当前光伏产业最广泛应用的原材料。通常由西门子法生产,但耗能过多,污染严重。有不少学者建议用直接纯化的冶金法取代西门子法,实际上仍严重耗能,仅达5个9的纯度。有文献倡议用太阳能冶炼高纯硅,但或者由于太阳炉成本太高、温度太低,或由于所选冶炼过程污染严重,均未获成功。

近来,陈应天教授等人应用他们所发明的无光象主动光学理论,廉价而成功地制作了一种新型的太阳炉。能有效地稳定地将10000倍或更高一些的太阳光聚焦在小网球大小的范围,并能在几秒钟时间内将钨板熔化,亦即间接地证明了此太阳炉可升温到3500度,这就为高效而廉价地冶炼高纯硅,提供了新的可能。

陈等人本来设想利用太阳炉所特有的高温,将加速冶炼提纯过程的进程。试验进行不久,即发现下列三重困难:1)冶炼温度过高将引起硅蒸汽的大量损失;2)坩锅寿命太短,使用一两次,即不能再用,屡试而屡败;3)易造成坩锅污染。于是,陈教授发明了一种无坩锅作业。将冶金级硅粉和CaO,Al2Os ,SiO2等氧化物和某些添加剂,压铸成棒,直接放置在10000倍的太阳炉里照射,由氧化物混合物的"相变"控温在1700~20000C温度的范围。由于这是10000倍太阳光的辐照,硅棒迅速升温熔化,其液滴由硅棒剥离。为控制高纯硅的冶炼时间,陈教授等人将硅棒放置在约5.5m高的二层楼,利用自由落体将冶炼时间控制在1.0~1.2秒内冷却而中止。

一个令人惊异的事实是:这一在10000太阳光辐照下的硅棒的持续冶炼过程,竟然仅在1~2秒钟内完成全部作业。工业硅所含杂质,或者气化,或者形成氧化物,被萃取到约1700度的高温氧化物混合物的液体中。

其重量是12公斤,其中60%是p型半导体,40%是n型半导体。已切成125mm×125mm的单晶硅片,并制成光电池,其转化率为14.5%~16.5%。

由于这一太阳能炼硅所需持续时间仅2~3秒,而云层涨落漂移时间往往长达十几分钟或几小时,所以这一新型太阳能冶炼将走向工业化,并大幅度降低能耗。能将通常西门子法耗能200~300kwh公斤,降低到仅能20~30kwh/公斤,实际是定向凝固提纯时所消耗的电能。

由于上述冶炼过程所消耗的材料是2个9的工业硅和高凝土等一类氧化物,所用太阳炉却没有任何消耗,所以上述试验中的生产成本仅约为20~25美元/公斤。

 
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