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离子液体电沉积资源化硅业副产物氯硅烷及其回收物在硅薄膜太阳电池上循环再利用的基础研究

批准号:
51474146
项目类别:
面上项目
资助金额:
79.0 万元
负责人:
张承龙
依托单位:
学科分类:
冶金物理化学与冶金原理
结题年份:
2018
批准年份:
2014
项目状态:
已结题
项目参与者:
赵占霞、管传金、邴乃慈、苑文仪、袁昊、马士勇、赵颖璠、郑飞龙

项目摘要

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项目成果

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中文摘要
氯硅烷是硅产业的主要副产物,产量大且污染严重,但同时其也是一种宝贵的硅资源。本项目面向氯硅烷高效清洁处理与硅基电池原材料低成本技术创新的迫切需求,根据离子液体能溶解氯硅烷并具有良好电化学性能的特点,拟采用离子液体电沉积法回收氯硅烷并提取其中的硅资源。采用分子动力学模拟方法研究氯硅烷在离子液体中溶解解析的耦合机理;将离子液体的黏度、电导率、电极电势和电化学窗口等电化学物性与量子化学计算获得的电子性质、前线轨道等结构信息进行关联,设计和筛选出适合氯硅烷溶解和电沉积的离子液体;研究氯硅烷-离子液体体系中硅的电沉积机理及硅成分和晶态的调控方法;探索离子液体在氯硅烷溶解-电沉积过程中的循化利用方法;通过离子液体电沉积实时掺杂制备n、p 型硅掺杂层用于纳米硅薄膜太阳电池。通过多学科交叉为硅业副产物氯硅烷的高值资源化和无害化处理提供新的技术途径,同时将为该类危险废物的处理提供必要的应用基础性科学依据。
英文摘要
With the rapid development of the silicon industry, the amounts of chlorosilane byproducts of silicon industry are dramatically increasing. It will cause serious environmental problems without proper disposal. To develop a highly effective and environmentally and safe technology to utilize chlorosilane is becoming an urgent problem.Considering the good solubility of chlorosilane in ionic liquid and the distinguish electrochemical properties of ionic liquid, it may be a cost-effective method to extract silicon from waste chlorosilane by electrochemical processes in ionic liquid. According to the studies on the regularities and principles of silicon tetrachloride's dissolution in ionic liquids, the byproduct chlorosilane are dissolved and purified through the optimization of the ionic liquid design. Based on the investigation of the ionic liquid's characters and the effect of impurities on the quality of silicon electrodeposited, methods for regulating the composition and crystal morphologies of deposited silicon are explored. In situ doping to growth n-type and p-type silicon layer which can be used for the preparation of nanocrystalline silicon thin film solar cells are studied by electrodeposition in ionic liquid. In this study, a high-value utilization process for harmless recovering the byproduct chlorosilane can be developed, and scientific basis for efficient utilization of the similar waste to chlorosilane can be provided.
本项目采用离子液体电沉积法回收四氯化硅并提取其中的硅资源。用COSMO-RS方法模拟预测四氯化硅在不同离子液体中的亨利系数,并用GEMC模拟两相平衡的方法来计算溶解度;筛选出了咪唑类、吡啶类和季铵盐类共3类10种离子液体进行SiCl4的溶解实验,探究了其溶解性变化规律;选择[Bmim]NTf2和[N1114][TNf2]两种离子液体进行SiCl4的电沉积实验研究,对电沉积硅薄膜结构特性、光学性质及电学性质进行了分析,并研究了杂质对电沉积过程的影响及离子液体的循环性能。结果表明:SiCl4在离子液体中的溶解量随着温度的上升而下降,离子液体阳离子烷基链长越长对SiCl4的溶解效果越好。Raman光谱表明,离子液体和SiCl4间以C-Si键、C-Cl键和Si-O键相连;钛片为工作电极,SiCl4浓度为0.35mol/L、IL:PC=1:2、电流密度为40A/m2时电沉积效果较好,所得沉积产物为非晶硅,光学和电学性质较好,但由于空气存在,表面硅层被氧化为SiO2,产物成分为Si和SiO2共存;以液态金属镓(Ga)作为工作电极时,100℃条件下电沉积能产生较为完美的多晶硅薄膜;当副产物中Ti、Al、Fe、V和SiHCl3等杂质含量在2%和3.5%以下时,不影响非晶硅的生成;以-3V电压通电10小时后,离子液体的性质未发生明显改变,FT-IR谱图结果显示其结构并未破坏,并且利用其电沉积硅取得了较好效果,循环性能较好。项目研究成果为硅业副产物四氯化硅的离子液体电沉积资源化提供了科学依据和技术支持。
期刊论文列表
专著列表
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Preparation and Characterization of Electrochemically Deposited Silicon Films in Ionic Liquid from Polysilicon Byproduct SiCl4
多晶硅副产物 SiCl4 在离子液体中电化学沉积硅薄膜的制备及表征
DOI: 10.20964/2018.09.51
发表时间: 2018-09
期刊: International Journal of Electrochemical Science
影响因子: --
作者: [Zhanxia Zhao, Jingjing Liu, Chenglong Zhang]
通讯作者: Chenglong Zhang
DOI: 10.20964/2018.09.51
发表时间: 2018
期刊: International Journal of Electrochemical Science
影响因子:
作者: [Zhanxia Zhao, Jingjing Liu, Chenglong Zhang]
通讯作者: Chenglong Zhang
Raman Spectroscopy Characterization of Dissolved Polysilicon Byproduct SiCl4 in Ionic Liquids
离子液体中溶解的多晶硅副产物 SiCl4 的拉曼光谱表征
DOI: 10.1155/2018/2329189
发表时间: 2018-03
期刊: Journal of Spectroscopy
影响因子: 2
作者: [Cheng Cheng, Chenglong Zhang, Jiachao Jiang, En Ma, Jianfeng Bai, Jingwei Wang]
通讯作者: Jingwei Wang
DOI: --
发表时间: 2016
期刊: 有色金属(冶炼部分)
影响因子: --
作者: [程成, 张承龙, 王景伟, 白建峰, 苑文仪, 徐敏]
通讯作者: 徐敏
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    氯硅烷残液在低共熔溶剂中光-磁场辅助电化学液相外延生长晶体硅的机制及调控
    • 批准号:
      --
    • 项目类别:
      面上项目
    • 资助金额:
      54万元
    • 批准年份:
      2022
    • 负责人:
      张承龙
    • 依托单位:
    机械化学法强化碱浸回收钢铁厂烟尘中金属锌及降解PCDD/Fs的基础研究
    • 批准号:
      51008189
    • 项目类别:
      青年科学基金项目
    • 资助金额:
      20.0万元
    • 批准年份:
      2010
    • 负责人:
      张承龙
    • 依托单位:
    国内基金
    海外基金