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太阳能级多晶硅是光伏行业的主要原料,太阳能级硅的制备方法目前备受关注。大约80％的多晶硅是通过西门子法制造出来的,但是由于西门子法对能源的消耗和环境影响较大,研究者致力于开发新的制备多晶硅的方法。冶金法具有低消耗和低污染的优点,成为目前研究的热点。定向凝固是冶金法的一种,是通过控制温度场变化使得铸锭单向生长,并利用分凝效应将杂质元素富集到铸锭项部以实现提纯硅的技术。该方法对金属杂质去除效果较好,但是无法去除硼和磷等分凝系数接近1的元素。合金造渣法与定向凝固原理相似,其实质是通过构建Si-M(记作硅-M,M代表其他金属)合金与Si的液.固平衡,从而改变杂质在固态硅和液相硅中的分凝系数,完成去除杂质的目的。
本文研究了定向凝固法制备太阳能级多晶硅工艺和Si-Al(硅-铝)合金造渣法脱除太阳能级硅中杂质B(硼)的热力学。
定向凝固工艺研究:以冶金级硅(99％,记作2N)为原料,在保持冷却水流量440 L/h的条件下,研究了拉锭速度和保温时间对提纯后硅锭中不同位置的杂质分布和微观结构的影响。将提纯后的硅用金刚石切割机进行切片,然后将不同位置的切片用氢氧化钠溶液抛光腐蚀,并用偏光显微镜和热场扫描电镜进行了微观结构研究；再将切片用氢氟酸进行溶解,然后用电感耦合等离子体发射光谱仪对硅锭不同位置的杂质含量进行了分析检测。杂质成分分析表明,在硅锭横向和纵向上,杂质都集中在硅锭中部；硅锭顶部杂质含量高于底部杂质含量,硅锭左侧杂质含量高于右边杂质含量。实验表明保温时间越长,越有利于杂质的去除；拉锭速度越小,越有利于硅的定向生长。微观结构研究表明:一次定向凝固后,枝状硅晶体从硅锭底部向上定向生长,硅锭中部和上部有不同程度的孪晶、堆垛层错等缺陷,还需要多次定向凝固来改善其结晶程度。因此,在一次定向凝固基础上,研究了连续三次定向凝固后硅锭不同位置的杂质分布和微观结构,杂质成分分析表明:三次定向凝固后,在硅铸锭横向上,杂质主要集中在硅铸锭的中部,硅锭左侧杂质含量高于右边杂质含量；在硅锭纵向上,从上到下杂质含量依次减小；微观结构研究表明三次定向凝固后硅铸锭表面的缺陷明显减少,说明定向凝固达到了良好的效果。
Si-Al合金造渣除B的热力学研究:采用太阳能级硅(6N)为原料,测定了B在硅固相中的B的去除率和硅固相.硅铝液相间的分凝系数。研究了温度、硅铝比率对B的去除率及分凝系数的影响。同时研究了B在硅固相和硅铝液相间的活度系数和活度,并计算出硅固相中硼铝交互作用系数εAlB in solid Si与温度的关系。此外,比较了本次实验温度与文献中的实验温度对硅固相中硼铝交互作用系数的影响,也研究了硅固相中硼铝交互作用系数对硅固相中B的去除率及硅固相.硅铝液相间的分凝系数的影响。