太阳能级多晶硅是光伏发电的主要原材料,随着光伏行业的快速发展,对高纯多晶硅原料的需求越来越大。合金法提纯以其低成本、环境友好、工序简单等优点成为一种极具潜力的太阳能级高纯多晶硅制备技术。Al-Si合金是研究最为广泛的二元合金体系,但对其最佳合金成分配比、热处理工艺以及其规模化生产技术等研究还不够系统。针对以上问题,本论文系统分析了合金体系中Si含量对初晶硅形貌和纯度的影响规律,在铸锭凝固过程中首次引入孕育热处理技术,并对电磁定向凝固制备初晶硅的工艺进行了探索。论文获得以下主要结论。首先,确定了 Al-Si合金最佳成分。初晶硅以孪生机制生长,随硅含量的增加,其择优生长方向由<112>转变为<112>和<111>双向择优方向,这是初晶硅尺寸变大的主要原因;进一步增加Si含量,粗大初晶硅晶粒之间相互碰撞,形成“碎晶”,碎晶效应是初晶硅收率降低的主要原因;最佳的合金成分为Al-50wt.%Si,此时,初晶硅的收率为82.35%(接近理论收率值85.59%),B杂质含量为2.31ppmw,P的含量为17.06ppmw,金属杂质的去除率高于94%以上,Fe杂质的含量为由484.9 ppmw降至4.486 ppmw,其他金属杂质的含量均在1 ppmw左右;其次,将孕育热处理技术引入铸锭凝固过程中,发现孕育热处理能够增加初晶硅的形核率,增大初晶硅的尺寸;在较高温度热处理时,长大的初晶硅发生碰撞,形成碎晶,导致初晶硅的收率降低;经过孕育热处理粘结在一起的初晶硅在酸洗过程中易于分离,从而降低初晶硅中A1和P的杂质含量;在900℃孕育处理2 h后,初晶硅的收率为83.41%,比未经过孕育处理增加了 1.54%,在该条件下初晶硅中A1杂质的含量降低了 48.8%;同时,随冷却速率的降低,初晶硅在<111>方向上的择优生长优势越来越明显,厚度增加近50%,初晶硅尺寸变大,收率增加。初晶硅中杂质含量随冷却速率降低而降低,而共晶硅中杂质含量则逐渐升高,特别是当冷却速率低于4℃/min时,共晶硅中主要杂质的含量迅速增加。因此,结合初晶硅收率和提纯成本两方面因素可得,最优的冷却速率为4℃/min。再次,对电磁感应定向凝固技术制备多晶硅的规模化生产工艺进行了探索。试验结果表明,在电磁力作用下凝固时,初晶硅在铸锭底部出现了偏聚,并且初晶硅晶粒形貌由片状转变为块状,熔体中单一的热流方向使铸锭中片状初晶硅呈现定向排列。随着坩埚下降速率降低,块状初晶硅的偏聚效果增强,当坩埚下降速率为10 mm/hr时,偏聚层的厚度约为整个铸锭的50%,偏聚层厚度的增加使坩埚底部散热能力降低,导致片状初晶硅的定向分布现象消失;同时,随着埚位的降低,坩埚的散热方式由底部散热向侧壁散热转变,使块状初晶硅聚集区域向坩埚侧壁移动,在较低埚位时,初晶硅以片状形貌为主,温度梯度是初晶硅偏聚的决定因素。在电磁力和温度梯度的作用下均可以形成初晶硅的偏聚,而电磁力形成的晶粒偏聚更加利于初晶硅的回收。从降低初晶硅的回收成本考虑,在电磁定向凝固过程中,应初始埚位0 cm,坩埚下降速率10 mm/hr的生长工艺获得初晶硅在铸锭底部的偏聚。综上所述,本论文着眼于Al-Si合金法制备太阳能级多晶硅一研究热点,提出了新技术并进行了一定的理论研究。系统分析了 Si含量对初晶硅收率的影响并阐明了初晶硅形貌的演变过程;引入孕育热处理技术提高了初晶硅的收率,并电磁感应定向凝固技术中初晶硅的偏聚行为进行了表征。基于Al-Si合金法制备高纯多晶硅的国内外研究现状,本论文的研究工作具有一定的创新性和实用性,为合金法的规模化生产奠定了一定的基础。