近年来,随着全球经济的快速发展,能源问题日益突出,光伏发电成为全球关注的热点。多晶硅作为生产太阳能电池的原材料,其需求量呈大幅增涨趋势。由于现有化学法制备太阳能级多晶硅存在成本高、污染大等问题,不能满足全球光伏产业的迅猛发展需求和大幅降低太阳能电池成本的要求,迫使人们研究开发新的太阳能级硅制备技术。冶金法制备太阳能级多晶硅具有成本低、安全环保的特点,越来越受到国内外的广泛重视。但是相比成熟的改良西门子法等化学方法,冶金法在理论发展和技术应用上仍存在一定差距,需要从微观层面上深入研究杂质在硅熔体中的运动和去除行为,为其进一步推广应用奠定稳定的技术基础。工业硅中杂质元素B、P的有效和深度脱除仍然是目前冶金法面临的难题之一,本文采用吹气精炼的方式探究了工业硅除B、P的反应动力学,通过确定吹气精炼过程中杂质在硅熔体中的传质,建立了非金属杂质B、P去除的动力学模型,并给出B、P元素去除过程中的动力学参数,可为吹氧精炼动力学提供理论依据。此外,通过实验方法精确地描述工业硅精炼过程是非常困难的。采用量子化学的方法可在化学键和分子结构水平探究反应的微观机理,使工业硅达到深度除杂的目的。吹气精炼实验结果表明,在1550℃下经过90min的精炼后,B含量可从0.0058%降低到0.0018%,P含量可从0.0056%降低到0.0026%。工业硅中的B和P的含量随精炼时间的延长而降低,且降低的速率逐渐变慢。通过拟合精炼时间与精炼硅中B、P浓度的关系,计算得到B和P去除的表观速率常数kB和kP分别为5.68×10-4s-1和2.03×10-4s-1,B和P在硅熔体中的传质系数βB和βP分别为1.37×10-5m·s-1和4.91×10-6m·s-1。在吹气精炼过程中,部分硅被氧化造成硅的损失,且损失量随着精炼时间的延长而增加,90min时的损失率为10.12%。损失的硅可以分为氧化进入渣相的SiO2和高温下生成的SiO烟气这两部分。采用从头算分子动力学模拟方法研究工业硅吹氧精炼过程的反应机理,发现Si超胞掺O对Ca和Al有极强的相互作用,它们分别形成了Ca-O键和Al-O键,而B-O之间随温度升高也有较强相互作用,但是Fe-O、P-O之间的相互作用较弱。同时发现,1823K时杂质原子与氧原子的相互作用强于1723K。动力学模拟前后的结果表明,虽然Si超胞掺O对P的直接去除效果很差,但是后期生成了P-P键,表明P在精炼过程中会以P2的形式去除。根据均方根位移可得到杂质原子的扩散系数,结果表明:金属杂质Fe、Al、Ca的扩散系数要大于非金属杂质B、P的扩散系数,1823K时杂质原子的扩散系数总体大于1723K时的扩散系数。采用从头算分子动力学模拟方法研究工业硅造渣精炼过程的反应机理,发现经过动力学模拟之后,B、P在CaO-SiO2渣系的作用下分别生成了BO33-和PO43-。对均方位移进行线性拟合得到BO33-、PO43-在CaO-SiO2渣系中的扩散系数,1823K时BO33-、PO43-的扩散系数分别为:DBO33-=1.29×10-8m2s-1,DPo43-=8.05×10-9m2s-1。