真空定向凝固提纯硅中杂质铝钙分布模型研究

• 作 者: 黄淑萍
• 发表日期: 2013年01期
• 关键词: 真空定向凝固 冶金级硅 分布模型 杂质铝 杂质钙

目前,生产太阳能级硅多晶硅的方法主要有化学法和冶金法。化学法对环境负荷大和生产成本高成为光伏产业发展的瓶颈,冶金法具有成本低、工艺简单和设备投资少等特点,成为现阶段的光伏产业最为关注的研究热点。定向凝固技术是冶金法制备太阳能级多晶硅路线中最为主要的一部分,主要是利用杂质在固液界面的分凝来控制杂质的去除,同时利用热量的定向传递来控制晶体的生长。杂质在真空定向凝固过程中的传质影响了提纯硅的品质,而目前关于这方面的研究质鲜见报道。本文从真空熔炼和定向凝固相关理论出发,分析了真空度、温度和凝固速率对杂质去除的影响。研究结果表明,当炉内气压处于高真空度(10-1～10-3Pa)时,硅中铝、钙的挥发属于分子蒸馏,真空度不影响其的挥发；升高温度和降低凝固速率对定向凝固去除杂质是有利的,且凝固速率的作用比温度更强。从动力学的角度,分析了真空定向凝固过程中硅中杂质的迁移和传质,结合了杂质在固液界面的凝固分凝和杂质在气液界面的真空挥发,理论得到真空定向凝固提纯硅中杂质的分布模型。并采用真空定向凝固炉进行提纯硅实验研究,利用电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-AES)对提纯硅锭中杂质铝钙的含量的测量,对比了理论模型。结果表明,理论分布模型与实验结果相吻合,且铝的有效分凝系数Keff和挥发总传质系数KT分别为0.0137和2.6755×10-6m/s；钙的有效分凝系数Keff和挥发总传质系数KT分别为0.067和4.3302×10-6m/s。以杂质铝为例,研究了温度、凝固速率和边界层厚度对真空定向凝固过程杂质分布的影响。研究表明,升高温度、降低凝固和缩短边界层厚度对真空定向凝固提纯硅有利,得到最佳的实验工艺为1823K和10μm/s。