硅的电磁悬浮冶炼及简单的数值模拟.pdfVIP

硅的电磁悬浮冶炼及简单的数值模拟 摘要：本问简单分析了高纯硅对于太阳能开发的重要性，以及高纯硅 制备技术打破国外垄断的必要性。此外，本文提出了悬浮冶硅的制备 方法，同时对交变线圈内磁场进行了简单的数值模拟。 关键词：能源利用， 高纯硅， 悬浮冶炼， 数值模拟 一．前言 人类在2l世纪面对的最大困难是什么?答案是不可再生能源的日 渐减少和环境污染的日益严重。如何解决这一对难题成为困扰世界经 济发展的首要任务。各种可再生能源的优越性日渐突出。于是，人们 将目光纷纷投向了太阳。 如果仅仅将太阳发射到地球的总辐射功率换算成电功率，可以 高达1．77×10 千瓦，比目前全世界平均消费电力还要大数亿倍。我 国太阳能资源得天独厚，1971—2OOO年的近3O年，太阳年总辐照量平 均1 050—2 450 kW· h／m 之间；大于l 050 kW ·h／m 的地区占 国土面积的96 以上。与同纬度的其他国家相比，和美国类似，比欧 洲、日本优越得多。年太阳辐射总量高于5 000 MJ／m ，年日照时数 大于2 000h，具有利用太阳能的良好条件。 在太阳能的有效利用中，太阳能的光电利用成为近些年发展最 快、最具活力的研究领域。其主要原理便是：利用光伏效应 （Photovoltaicvolts effect）（光生伏特效应是指半导体在受到光 照射时产生电动势的现象。），将太阳能转化为电能。 二．高纯硅材料 所谓高纯硅材料， 是指由单一的硅原子所 组成，硅原子在三维空间 呈规则排列的多晶硅。它 是由工业硅提纯得来的， 只含有极少量的杂质，硅 含量通常在99．9999％ (6N)以上高纯硅材料经提拉或铸锭处理后， 就制成了单晶硅或多晶硅，它们是制作集成电路和光伏电池的不可或 缺的基础材料，被称为“现代工业的粮食”， 对半导体工业和光伏 产业的发展具有重要作用。通常情况下， 制造光伏电池所用的高纯硅，其纯度要在6 N 以上，制造集成电路所 用高纯硅，纯度要在9N以上，而军事级的半导体器件所用高纯硅，纯 度甚至要在12N以上。相当于1万亿个原子当中，只允许混有1个其它 种类的原子。因此，国际上将高纯硅材料生产水平作为衡量一个国家 科技水平的重要标志之一。高纯硅材料的生产技术基本上被美国、日 本和德国3个国家的7家公司所垄断， 它们分别是美国的Hemlock、MEMC、RECSGS、REC As—iMi、德国的 Wacker、日本的Tokuyama和三菱，这7家公司的总产能占全球产能的9 5％ 以上。其中，美国的Hemlock、德国的Wacker和日本的Tokuyama 3 家公司生产规模最大，其产能占全球总产能的60％ 。为了实现自身 利益的最大化，获取超额垄断利润，这7家公司都将高纯硅材料作为 战略性物资， 对其它国家实行技术封锁， 严格控制高纯硅材料技术 的扩散。这种卡特尔式的垄断使近年来高纯硅的价格不断飙升从2003 年的每千克30美元上涨到2004年的45美元，2005年跳升到80美元， 2006年突破了300美元。 我国光伏产业发展较晚，但近年成井喷式增长，然而冶炼硅的纯 度只能到四个九，不得不大量从国外高价进口高纯硅。 三．高纯硅的冶炼方法： 目前我国多数企业采用传统的化学方法进行冶硅，即用氢气还原 SiHCl3，此法会产生大量副产品，如HCl等，会严重污染环境，并且 其冶炼的纯度已达到上限，急需寻求新的技术革新。 有人提出了利用物理方 法进行冶炼，在高温下对硅的 杂质进行蒸汽蒸馏，使其与硅