學(xué)術(shù)論文：強輻射催化法提純多晶硅

強輻射催化法提純多晶硅

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將低純度的金屬硅，提純成可用于制造太陽能電池的高純硅材料的主要關(guān)鍵，是去除材料中的硼雜質(zhì)． 本文提出了一種采用特殊的造渣過程以去除硼雜質(zhì)的新方法． 在這種新方法中，為了促進快速的化學(xué)反應(yīng)，采用高密度的光子作為催化劑，以達到太陽能級硅材料的標(biāo)準(zhǔn)． 本文對使用這種新的強輻射催化法煉硅的高溫工具、冶煉方法、材料配方、材料的混合、以及渣劑的分離等關(guān)鍵技術(shù)，進行了詳盡的公開和討論，并在強輻射光催化原理的研究方面提出了一些探索性的機理． 為了方便讀者使用本文所提出的方法，建立起一套完整的提煉太陽能級硅材料的工業(yè)系統(tǒng)，本文也就去硼后的硅材料中去磷的冷陰極電子束的方法，以及采用磁懸浮無坩堝的定向凝固方法去除金屬，提出了一些新的設(shè)計和建議． 關(guān)于本文所提出的方法是否能擴展到電子級硅材料的冶煉工業(yè)，本文所提出的無光象定日鏡能否擴展應(yīng)用于其他太陽能光熱領(lǐng)域，以及所提出的宏觀光化學(xué)催化假設(shè)能否獲得更多的實驗驗證等，也試圖進行了一些進一步的討論． 希望本文所提出的方法，能夠在全球科學(xué)家們所孜孜以求的低碳、低成本的太陽能產(chǎn)業(yè)的巨大努力中，走出一條同傳統(tǒng)方法不同的道路．

關(guān)鍵詞: 多晶硅提純，光催化，太陽爐，除硼，除磷，多晶硅
PACS: 81． 20. Ym，42． 79． Ek

1. 引 言
關(guān)于本文所介紹的強輻射催化法煉硅的科學(xué)題目，作者實際上是從兩個方向進行研究和學(xué)習(xí)的: 1) 關(guān)于實現(xiàn)強輻射方法的新的工具的研究; 2)關(guān)于尋找不同于西門子法的低耗能、低污染的制造太陽能級硅材料的新方法、工藝和原理的研究． 這兩個方法研究的結(jié)合則 形 成了本 文 寫 作 的 主 要梗概．本文作者之一( 陳應(yīng)天) ，多年以來一直注意到光學(xué)系統(tǒng)中的非近軸光線，即斜軸光線的聚焦，是一個至今尚未解決的難題［1］． 誠然，在大多數(shù)情況下，斜軸聚焦是不可能得到理想的成象結(jié)果的，然而，有許多物理學(xué)和工業(yè)上的應(yīng)用并不需要精確的成像，也不需要對光線進行干涉; 那么，我們能否創(chuàng)造一種新的光學(xué)系統(tǒng)，用非傳統(tǒng)的方法來解決這個難題呢? 這樣一個科學(xué)題目自然是十分龐大的． 陳沒
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［13］和 CFT 即 無 氫 技 術(shù) 法 產(chǎn) 生 硅烷［14］; 利用吹入反應(yīng)氣體在高溫氧和氫的等離子體火焰中消除金屬硅中的硼和碳［15］; 利用含少量水的氬氣氣氛下熱熔煉去除金屬硅中的硼和磷［16］; 使用真空中電子束熔煉 法將金屬硅提 純 為 太 陽 能 級硅［17］; 利用 碘 化 學(xué) 氣 相 輸 運 法 對 金 屬 硅 進 行 提純［18］; 使用熱交換爐對金屬硅進行提純［19］，使用硝酸、鹽酸、氫氟酸以及堿溶液對金屬硅粉進行長時間的處理以獲得較純硅材料［20］等等． 然而所有這些，或者是因為成本不能大幅度降低，或者是因為提純效果不理想，甚至或者是因為安全性問題［21］，仍然處于等待在市場上具有更強的競爭力的狀況．在這當(dāng)中，研究的最多的是采用各種物理法將工業(yè)硅材料中的硼、磷和其他金屬雜質(zhì)進行提純以達到太陽能級硅材料的要求［22］． 在這個方法中，由于使用了物理法中最有效的定向凝固方法，去除金屬的效果十分明顯而且經(jīng)濟性十分好． 磷雜質(zhì)由于它的固液分凝系數(shù)( 0. 35) 同 1 是接近的，定向凝固法除磷的效果較差，然而人們也發(fā)現(xiàn)了使用真空熔煉法可以將磷在一定的高真空的條件下?lián)]發(fā)掉，其經(jīng)濟性也不差． 盡管如此，用物理辦法有效地去除硼雜質(zhì)，是物理法至今不能成為一個成功的工業(yè)方法的關(guān)鍵; 其主要原因是: 一方面硅和硼的物理化學(xué)性質(zhì)，由于元素周期表存在著對角線原則，十分相似;另一方面硼的固液分凝系數(shù)為 0. 8—0. 85，更加接近 1，這就使得單獨使用物理法的定向凝固法去除硅材料中的所有雜質(zhì)幾乎成為不可能．物理冶金法中，從工業(yè)硅中分離硼的主要方法有三種． 一種是在熔硅中吹入帶有水蒸氣的各種氣體，包括氫氣、氧氣等，使硅中的氧化物變?yōu)闅浠鹬惖目蓳]發(fā)的物質(zhì)． 另外一種是在由惰性氣體存在的環(huán)境中產(chǎn)生等離子體，并同時注入氫氣等氣體使硅中的硼雜質(zhì)變?yōu)闅浠鹬惖目蓳]發(fā)的物質(zhì)．
第三種方法是采用造渣法去硼，在這種方法中，將工業(yè)硅的熔液與由二氧化硅和氧化鋁、氧化鈣等堿性氧化物形成的共熔的渣劑混合，利用硼在混合渣劑中的溶解度與在熔硅中的溶解度不同的物理特性，將硼雜質(zhì)從工業(yè)硅中萃取出來． 在以上三種方法中，第一種方法和第二種方法都存在比較耗時、耗電的問題，相比之下，第三種方法的經(jīng)濟性較高．在傳統(tǒng)的造渣法去硼的過程中，普通造渣法去硼的過程仍然是十分繁雜而低效的． 本文將詳細分析這種方法低效的原因，使用作者最近發(fā)展起來的高溫工具，和針對造渣法的缺點，所提出來的一系列改進方法，將工業(yè)硅提純成太陽能級硅材料的提純效率大大提高，實現(xiàn)了一種低耗能、低污染的提純方法．
2. 斜軸光線的聚焦問題

2. 1. 從 m * n 到 m + n
本文的討論還是先從低成本、高效率的高溫工具的創(chuàng)立開始，這種以太陽爐為主的新的高溫手段的創(chuàng)新是從光學(xué)，特別是光學(xué)中的非近軸光線開始的． 如上所述，斜軸光線的聚焦問題可以發(fā)生在許多不同場合，比較常見的場合是解決一個運動光源的光線，能否一次性地聚于一個固定目標(biāo)上的問題． 在這樣一個三體( 運動光源、反射聚光鏡和固定目標(biāo)) 問題所提出的斜軸聚焦是光學(xué)中的難題． 在這樣的情況下，由于入射角的不斷變化，像差的發(fā)生是必然的． 像差是一種由幾何光學(xué)定律而確定的，任何一種光學(xué)器件所必不可克服的對成像的畸變． 像差的存在大大影響了成像和聚焦的效果． 為了克服像差，人們在上世紀 80 年代發(fā)展了自適應(yīng)光學(xué)，即使用改變光學(xué)器件幾何形狀的方法，來最大限度的減少像差．自適應(yīng)光學(xué)擺脫了傳統(tǒng)光學(xué)中的固定的幾何形狀的光學(xué)器件的概念． 在進行光線處理時，光學(xué)鏡面可以隨著聚焦或成像的要求而相應(yīng)地進行變化以達到最佳的效果． 傳統(tǒng)光學(xué)使用了固定的幾何形狀的光學(xué)器件，其主要存在的問題，像差和相位的難題是傳統(tǒng)光學(xué)中固有的，很難徹底克服． 自適應(yīng)光學(xué)可以隨需要改變鏡面或透鏡的形狀，從而從理論上可以徹底克服這個難題．在上世紀 80 年代所發(fā)展出來的自適應(yīng)技術(shù)的價格是十分高昂的． 在一個由成百上千的子鏡所組成的鏡陣面的情況下，自適應(yīng)光學(xué)會要求每一個子鏡都做獨立運動，以達到調(diào)整鏡面形狀的目的． 我們知道，每一個子鏡的運動_度起碼有三個，*，y方向的歐拉運動以及 z 方向的活塞運動． 也就是說在一個由 n 行和 m 列子鏡所形成的陣列的光學(xué)面上所需要的控制個數(shù)應(yīng)該是 3 * n * m． 這樣龐大的控制系統(tǒng)，要把自適應(yīng)光學(xué)的技術(shù)推廣到更多的應(yīng)用范圍，特別是許多需要低成本的應(yīng)用領(lǐng)域顯然是十分困難的． 陳對這個問題考慮了十幾年． 他一心一意想找到一種數(shù)學(xué)模式能夠在以上所述的陣列的光學(xué)面的結(jié)構(gòu)中將 n * m 的控制數(shù)量降為 n + m．經(jīng)過多年的研究和計算，陳等人［23］獨立發(fā)展出一種在由 n 行和 m 列的子鏡，所組成的陣列組鏡中，使用行和列運動，以實現(xiàn)每個子鏡的獨立的運動的數(shù)學(xué)方法． 這個方法之所以能夠?qū)崿F(xiàn)，是利用了物理學(xué)中眾所周知的轉(zhuǎn)動算子不對易的原理． 陳的研究發(fā)現(xiàn)，利用行和列的數(shù)字化的轉(zhuǎn)動，只要按照推導(dǎo)出來的八步運動的方式，改變它們的順序，也就是說，按照行和列的一定的轉(zhuǎn)動次序，按照正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)的一定的轉(zhuǎn)動次序就可以消除行列運動對每個子鏡運動的耦合，從而留下純粹的任意子鏡的獨立的運動． 陳的這些研究是在一般的理想化的情況下進行的，它在實踐中的運用，還有待于后人的發(fā)展和探索． 然而，沿著這條一般的理想化的思路，丁璐、胡森等人［24］將陳的方法，發(fā)展成一種類似于泰勒展開的更一般的理論． 這樣一種線運動的方式的最大優(yōu)點，是它極大的減少了需要控制的數(shù)目，實際控制的數(shù)目可以從 n * m 的數(shù)量變成 n + m 的數(shù)量． 丁和胡的發(fā)展的意義，可能在將來的工作中更加顯示出來．
2. 2. 最簡單的行列運動及新型太陽爐
陳等人所發(fā)展的這種陣列組鏡中的通過行、列運動將 m * n 控制數(shù)目降為 m + n 的算法，從理論上講來，只要每步運動足夠的小，是不會影響成像與干涉的光學(xué)行為的． 陳等人還專門研究出一種使用這種方法制造大型遠望鏡的方法［25］，并且詳細說明了，在什么情況下，這種減少像差的方法不會影響相位的秩序． 這樣的研究在超高精度的光學(xué)中是有意義的． 然而陳后來發(fā)現(xiàn)，如果將這種行列運動代替歐拉運動的方法，推廣到一些需要低成本的光學(xué)應(yīng)用中，例如太陽能運用中的定日鏡等等，這種一般的方法則顯得太昂貴了． 盡管如此，陳又發(fā)現(xiàn)，在這種低成本的聚光器中，如果不講究相位，即不需成像，也不必考慮干涉現(xiàn)象，在上述的陣列組鏡中，行列運動代替歐拉運動的方法確實是可行的． 即使是在斜軸聚焦的情況下，此方法仍然可以進行一級的像差的修正．上述的這種最簡單的行列運動的概念，則形成了陳等人所發(fā)展的所謂偏軸聚光的新的方法［26］，并且發(fā)展成了后來的新型太陽爐，固定式太陽灶，以及多塔式光熱系統(tǒng)的應(yīng)用． 由于在這些應(yīng)用中，我們只注重能量的集中，成像和干涉是不必顧及的，所以學(xué)術(shù)界同意將這些聚光器命名為“無光像聚焦定日鏡”．經(jīng)過多年的發(fā)展，這種由最簡單的行列運動，而形成的無光像定日鏡，實際上又分成兩種: 一種是具有主動光學(xué)意義的，行列隨時可調(diào)的定日鏡;一種是沒有運動部件的，非主動光學(xué)的，由高次曲面或近似高次曲面組成的定日鏡［27］． 在斜軸聚焦的情況下，前者的聚光效果更好，后者的聚光效果雖然較差，但比傳統(tǒng)光學(xué)面要好得多． 這種新曲面最早由陳等人提出，發(fā)現(xiàn)它的結(jié)果同 Ries 等人［28］，使用極其復(fù)雜的方法推導(dǎo)出來的曲面十分相似． 這種曲面的理論后來又由李、陳等人［29］共同發(fā)展出不同的推導(dǎo)方法，其結(jié)果也十分類似．本文中所提出的一種新的高溫手段，新型太陽爐，在目前的技術(shù)發(fā)展的情況下，是基于具有主動光學(xué)意義的行列隨時可調(diào)的定日鏡，所以下文主要是討論這種太陽爐的原理和發(fā)展．綜上所述，陳利用以上所發(fā)展出來的理論，找到了一種簡便的經(jīng)濟的自適應(yīng)光學(xué)方法，實現(xiàn)斜軸的聚焦． 在一個由 m 行和 n 列所形成的光學(xué)鏡陣中，如圖 1 所示鏡面的修正是以行方向的轉(zhuǎn)動 σn和列方向的轉(zhuǎn)動 γn以下列公式所規(guī)定的運動進行的:σn=12tan－ 1nHσcosθnHσsinθ[ ]+ L， ( 1)γn=12tan－ 1nHγLcos[ ]θ， ( 2)其中，L 為目標(biāo)距離，θ 為運動光源，例如太陽光的入射角，Hσ是鄰近兩行子鏡之間的距離，Hγ是鄰近兩列子鏡之間的距離，n 指的 ……（未完，全文共24787字，當(dāng)前僅顯示4458字，請閱讀下面提示信息。收藏《學(xué)術(shù)論文：強輻射催化法提純多晶硅》）