多晶硅生产中潜在杂质存在形式筛选方法及系统与流程

本发明属于多晶硅生产，具体涉及一种多晶硅生产中潜在杂质存在形式筛选方法及系统。

背景技术：

1、当前我国正迎来一场以化石能源为主体转变为以新能源为主体的能源体系变革。环保意识的提升不断推动清洁能源发展，光伏作为一种绿色能源，具有减少碳排放、降低环境污染等具体优势。随着技术进步和产业规模扩大，光伏技术成本不断下降，太阳能发电成本接近或低于传统能源，光伏的竞争力提高。多晶硅作为光伏产业链的上游，产品的纯度决定了光伏电池的能量转换效率，最终决定了光伏发电效率和成本。

2、改良西门子法作为当今生产多晶硅的主流工艺，国内主要企业采取的提纯除杂方法均为传统精馏方式，仅依靠该技术产品纯度难以达到高品质需求。基于目前的生产工艺，需要开发更加高效的吸附剂去除多晶硅中的痕量杂质。开发高效的吸附剂需要清楚地了解在多晶硅生产过程中，多级精馏技术无法脱除的杂质分子的具体存在形式，以更有针对性地去除多晶硅中的痕量杂质。

3、但由于多晶硅生产过程中杂质存在含量极少，需控制在ppb级别，且因氯硅烷具有易挥发、易水解等特性，现有表征手段只能检测出多晶硅物料中杂质元素的种类及含量，并没有合适的表征手段能够确定杂质在氯硅烷中的具体存在形式。因此，需要一种方法来确定多晶硅中杂质的存在形式，以高效且有针对性地脱除多晶硅中的痕量杂质。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述不足，提供一种多晶硅生产中潜在杂质存在形式筛选方法及系统，该方法选取体系适用的计算方法，使用计算机模拟化学反应进程，通过对不可能存在的杂质的排除，实现对潜在杂质分子的理论筛选，解决实验手段无法研究的问题。

2、解决本发明技术问题所采用的技术方案是提供一种多晶硅生产中潜在杂质存在形式筛选方法，包括以下步骤：

3、(1)确定杂质生成反应参与物质：根据三氯氢硅的沸点、相对分子质量物理性质、现有检测技术手段测试得到的杂质存在元素种类，筛选参与杂质生成反应的反应物、生成物的具体存在形式；

4、(2)确定反应方程：分析杂质生成反应的反应物性质及合成反应体系的反应条件，根据物质守恒定律及热力学基本定律确定杂质生成反应的生成物，确定生成物状态，建立杂质生成反应的反应方程；

5、(3)建模并优化：构建步骤(2)确定的杂质生成反应中所有反应物及生成物的模型，并对建构的模型进行能量最小化结构优化和振动分析，得到的模型作为初始模型；

6、(4)计算吉布斯自由能：计算初始模型中确定的杂质生成反应方程式的吉布斯自由能变，对参与杂质生成反应的反应物、生成物进行筛选；

7、(5)计算溶剂化自由能：计算步骤(4)中筛选后剩余物质的隐式溶剂模型下的溶剂化自由能；

8、(6)对所有的信息进行综合筛选，最终确定符合存在条件的潜在杂质存在形式。

9、优选的是，所述步骤(3)中具体的还包括以下步骤：

10、计算建构的模型中的杂质生成反应中所有反应物及生成物的偶极矩。

11、优选的是，所述步骤(1)中，若根据杂质存在元素种类列出的物质沸点、分子量物理性质，则筛选出与三氯氢硅性质在预设范围内相似的物质。

12、优选的是，所述步骤(3)中所述分子结构优化过程选取第一泛函与第一基组组合，并采用色散矫正，得到能量最小、结构最稳定的参与杂质生成反应的反应物、生成物分子结构。

13、优选的是，所述步骤(4)中所述吉布斯自由能计算过程选取第二泛函与第二基组组合，并采用色散矫正，得到参与杂质生成反应的反应物、生成物分子的单点能。

14、优选的是，所述步骤(2)中反应体系三氯氢硅合成工序设置的操作温度为553.15～593.15k，压力为0.2～0.3mpa。

15、优选的是，所述步骤(5)中，隐式溶剂模型把溶剂环境当成可极化的连续介质。

16、优选的是，所述步骤(5)中，隐式溶剂模型下计算单点能时，使用三氯氢硅的介电常数代替溶剂参数设置。

17、优选的是，所述步骤(5)中，溶剂化自由能量计算过程选取第三泛函与第三基组组合，并采用色散矫正，得到分子的单点能。

18、优选的是，所述步骤(5)中，若剩余物质的溶解自由能为负数时，促进溶解过程的进行；若剩余物质的溶解自由能为正数时，阻碍溶解过程的进行。

19、本发明还提供一种多晶硅生产中潜在杂质存在形式筛选方法所用的系统，包括：

20、杂质广泛筛选单元，根据三氯氢硅的沸点、相对分子质量物理性质、现有检测技术手段测试得到的杂质存在元素种类，筛选参与杂质生成反应的反应物、生成物的具体存在形式；

21、反应确立单元，分析杂质广泛筛选单元输出的杂质生成反应的反应物性质及合成反应体系的反应条件，根据物质守恒定律及热力学基本定律确定杂质生成反应的生成物，确定生成物状态，建立杂质生成反应的反应方程；

22、建模单元，构建反应确立单元确定的杂质生成反应中所有反应物及生成物的模型，并对建构的模型进行能量最小化结构优化和振动分析，得到的模型作为初始模型；

23、吉布斯自由能筛选单元，计算建模单元确定的杂质生成反应方程式的吉布斯自由能变，对参与杂质生成反应的反应物、生成物进行筛选；

24、溶剂化自由能筛选单元，计算吉布斯自由能筛选单元筛选后剩余物质的隐式溶剂模型下的溶剂化自由能；

25、综合筛选单元，对所有的信息进行综合筛选，最终确定符合存在条件的潜在杂质存在形式。

26、优选的是，建模单元，还用于计算建构的模型中的杂质生成反应中所有反应物及生成物的偶极矩。

27、本发明通过量子力学计算软件(orca)对所建模型进行结构优化以及能量计算，对氯硅烷体系中杂质的存在形式确定具有重要指导意义。

28、利用本发明基于密度泛函理论计算方法，解决了多晶硅精馏提纯过程中杂质具体存在形式确定的问题。

29、本发明解决了现有技术条件下实验检测方法无法解决的问题，对于后续多晶硅生产中痕量杂质去除具有重要的意义。

30、该方法节约了大量分析检测费用，对多晶硅产业中使用的吸附剂、络合剂的开发及优化具有重要意义。

技术特征：

1.一种多晶硅生产中潜在杂质存在形式筛选方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的多晶硅生产中潜在杂质存在形式筛选方法，其特征在于，所述步骤(3)中具体的还包括以下步骤：

3.根据权利要求1所述的多晶硅生产中潜在杂质存在形式筛选方法，其特征在于，所述步骤(1)中，若根据杂质存在元素种类列出的物质沸点、分子量物理性质，则筛选出与三氯氢硅性质在预设范围内相似的物质。

4.根据权利要求1所述的多晶硅生产中潜在杂质存在形式筛选方法，其特征在于，所述步骤(3)中所述分子结构优化过程选取第一泛函与第一基组组合，并采用色散矫正，得到能量最小、结构最稳定的参与杂质生成反应的反应物、生成物分子结构。

5.根据权利要求1所述的多晶硅生产中潜在杂质存在形式筛选方法，其特征在于，所述步骤(4)中所述吉布斯自由能计算过程选取第二泛函与第二基组组合，并采用色散矫正，得到参与杂质生成反应的反应物、生成物分子的单点能。

6.根据权利要求1所述的多晶硅生产中潜在杂质存在形式筛选方法，其特征在于，所述步骤(2)中反应体系三氯氢硅合成工序设置的操作温度为553.15～593.15k，压力为0.2～0.3mpa。

7.根据权利要求1所述的多晶硅生产中潜在杂质存在形式筛选方法，其特征在于，所述步骤(5)中，隐式溶剂模型把溶剂环境当成可极化的连续介质。

8.根据权利要求1所述的多晶硅生产中潜在杂质存在形式筛选方法，其特征在于，所述步骤(5)中，隐式溶剂模型下计算单点溶剂化自由能时，使用三氯氢硅的介电常数代替溶剂参数设置。

9.根据权利要求1所述的多晶硅生产中潜在杂质存在形式筛选方法，其特征在于，所述步骤(5)中，溶剂化自由能量计算过程选取第三泛函与第三基组组合，并采用色散矫正，得到分子的单点能。

10.一种权利要求1～9任意一项所述的多晶硅生产中潜在杂质存在形式筛选方法所用的系统，其特征在于，包括：

11.根据权利要求10所述的多晶硅生产中潜在杂质存在形式筛选系统，其特征在于，建模单元，还用于计算建构的模型中的杂质生成反应中所有反应物及生成物的偶极矩。

技术总结本发明公开了一种多晶硅生产中潜在杂质存在形式筛选方法及系统，该方法包括以下步骤：(1)确定杂质生成反应参与物质；(2)确定反应方程；(3)建模并优化；(4)计算吉布斯自由能；(5)计算溶剂化自由能；(6)对所有的信息进行综合筛选，最终确定符合存在条件的潜在杂质存在形式。利用本发明基于密度泛函理论计算方法，解决了多晶硅精馏提纯过程中杂质具体存在形式确定的问题。本发明解决了现有技术条件下实验检测方法无法解决的问题，对于后续多晶硅生产中痕量杂质去除具有重要的意义。该方法节约了大量分析检测费用，对多晶硅产业中使用的吸附剂、络合剂的开发及优化具有重要意义。技术研发人员：王迪,阿热帕提·阿扎提,周立坤,吕旭晨,达伟民,苏国良,吕学谦,刘兴平受保护的技术使用者：新特能源股份有限公司技术研发日：技术公布日：2024/11/18