[发明专利]一种测量硼在硅酸钙渣系中扩散系数的装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种测量硼在硅酸钙渣系中扩散系数的装置及方法，属于冶金熔渣技术领域。

背景技术

随着全球经济规模的不断扩大，能源需求量持续增长，在全球新能源产业中，太阳能光伏发电以每年高于35％的增长率高速发展。太阳能级多晶硅对杂质硼含量的要求是低于0.3ppmw，过量的杂质硼会降低少数载流子寿命，从而影响电池的转换效率。由于硼的分凝系数大、饱和蒸气压低，传统的定向凝固和真空精炼都无法有效地将其去除。

造渣精炼法是目前除硼的有效途径之一。在氧化造渣过程中，熔融硅中的杂质B与造渣剂发生氧化反应，形成酸性的硼氧化物由碱性的熔渣吸附从而进入渣相，然后将熔渣与熔融硅进行冷却分离，就可以得到低硼含量的硅锭。目前认为造渣除硼反应过程主要由三个环节决定：(1)杂质B在硅熔体中的扩散传质过程；(2)杂质B在反应界面与造渣剂的氧化反应；(3)反应生成的硼氧化物(B₂O₃)在熔渣中的扩散传质过程。

由于造渣氧化反应温度很高，可以认为此温度下界面反应很快发生，此环节不是造渣除硼的限制性环节。伍继君等研究人员在《Fluid Phase Equilibria》上发表的“Diffusion and mass transfer of boron in molten silicon during slag refining process of metallurgical grade silicon”(2015,404:79-74)对B在硅熔体中的扩散传质过程进行了研究，结果表明：1823K时杂质B在硅熔体中的扩散系数为1.46×10^-8m²·s^-1，B在硅中的传质系数为1.7×10^-4m·s^-1，从而得到了硅熔体与反应界面的边界层厚度为0.086mm。Morita等人在《High Temp.Mater.Processes》上发表的“The rate of boron removal from molten silicon by CaO-SiO₂slag and Cl₂treatment”(2012,31:471-477)对B₂O₃在熔渣中的传质过程进行了研究，结果表明：1823K条件下B₂O₃在CaO-SiO₂渣系中的传质系数为1.4×10^-6m·s^-1。但是目前对于B₂O₃在常见熔渣(尤其是最为基础的硅酸钙渣系)中扩散系数的研究较少，硼在熔渣中的扩散性质不甚清楚。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题及不足，本发明提供一种测量硼在硅酸钙渣系中扩散系数的装置及方法。本发明目的提供一种利用毛细管扩散规律，本发明通过以下技术方案实现。

一种测量硼在硅酸钙渣系中扩散系数的装置，包括小直径石墨坩埚1、毛细管2和大直径石墨坩埚熔池5，小直径石墨坩埚1为实心状石墨，石墨内部设置直径为2～6mm孔洞形成毛细管2，毛细管2内部放置硅酸钙渣系3，石墨坩埚熔池5中设有B₂O₃、SiO₂和CaO块状混合物形成B₂O₃扩散源4，块状混合物预熔后按照毛细管2开口朝下的位置将小直径石墨坩埚1置于大直径石墨坩埚熔池5中。

一种测量硼在硅酸钙渣系中扩散系数的装置的测量方法，其具体步骤如下：

步骤1、首先将B₂O₃、SiO₂和CaO混合均匀并压制成块状置于大直径石墨坩埚熔池5中，然后在氩气气氛下预熔到指定温度后，将毛细管2内部放置硅酸钙渣系3的小直径石墨坩埚1置于大直径石墨坩埚熔池5中，在不同温度和熔渣组分等条件下进行扩散；

步骤2、将步骤1扩散后的样品经淬火处理，利用ICP-AES检测毛细管口处浓度C₀和距离毛细管口不同距离处的B含量C(x，t)，根据公式：

C(x，t)为不同位置处B浓度，单位是mg/l；C₀为毛细管口处B浓度，单位是mg/l；其中