近幾年來，在發(fā)展較為迅速的冶金法低成本制備太陽能級(jí)多晶硅新工藝中，定向凝固技術(shù)得到了較好的應(yīng)用。定向凝固技術(shù)在冶金法多晶硅提純過程中主要用于去除硅中的金屬雜質(zhì)，在鑄造過程中用來進(jìn)行大尺寸柱狀晶的生長，以期獲得較好的晶體質(zhì)量和電學(xué)性能。本文在詳細(xì)介紹冶金法多晶硅制備過程中定向凝固提純?nèi)コ�硅中金屬雜質(zhì)和多晶硅鑄造過程中晶體生長與電學(xué)性能提升最新研究進(jìn)展的基礎(chǔ)上，提出將冶金法多晶硅定向凝固提純過程和定向凝固鑄造過程合并成一個(gè)新型的定向凝固工序，可以兼顧多晶硅的提純和晶體生長兩種功能，既與冶金法多晶硅定向凝固提純過程不同，也與多晶硅鑄造過程中的定向凝固有所區(qū)別。該新型定向凝固技術(shù)將減少容器材料的使用量，縮短冶金法工藝流程，降低了冶金法多晶硅生產(chǎn)成本，有利于冶金法多晶硅的技術(shù)進(jìn)步和大規(guī)模應(yīng)用。

　　近幾年來，國內(nèi)外的許多研究者都在探索一種太陽能級(jí)硅的低成本制備工藝，在眾多新工藝中，冶金法提純工業(yè)硅制備太陽能級(jí)硅是很有應(yīng)用前景的新工藝之一。圖1 給出了冶金法制備太陽能級(jí)多晶硅新工藝的典型技術(shù)路線圖。冶金法提純工業(yè)硅制備多晶硅新工藝的原理是利用硅和雜質(zhì)元素物化性質(zhì)的差異，采用物理冶金的手段，依次去除硅中各種雜質(zhì)，主要包括以下幾個(gè)步驟：工業(yè)硅的爐外精煉( 包括造渣、吹氣精煉等) 、濕法處理、真空精煉( 包括等離子體精煉、電子束精煉、脫氣精煉等) 、定向凝固等。Braga 等對(duì)化學(xué)和冶金路線制備太陽能級(jí)多晶硅制備技術(shù)進(jìn)行了評(píng)述，認(rèn)為冶金法在能源消耗方面具有很大潛力，其成本只為傳統(tǒng)西門子路線的1 /5，且不排放污染物。

圖1 典型冶金法制備多晶硅新工藝技術(shù)路線

　　在冶金法制備多晶硅新工藝中，定向凝固提純是冶金法多晶硅制備工藝中的必備工序之一。K. Morita的研究結(jié)果表明，通過兩次定向凝固可將硅中金屬雜質(zhì)降低到太陽能級(jí)多晶硅所要求的濃度范圍。圖2 給出了理想情況下，定向凝固去除硅中雜質(zhì)的效果。

1、定向凝固技術(shù)理論

　　1.1、定向凝固技術(shù)原理

　　定向凝固就是利用硅中的金屬雜質(zhì)分凝系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1，通過控制溫度場(chǎng)的變化，在固-液界面處產(chǎn)生分凝效應(yīng)，雜質(zhì)富集于最后凝固的部分，實(shí)現(xiàn)硅中金屬雜質(zhì)的有效去除。圖3 給出了定向凝固原理圖( 圖中C0為原始雜質(zhì)濃度，T0為此濃度值時(shí)的液相線溫度) 。

圖2 定向凝固前后雜質(zhì)含量( 質(zhì)量比) 變化

圖3 定向凝固原理圖

　　1.2、鑄造技術(shù)和定向凝固提純的特點(diǎn)與區(qū)別

　　1.2.1、鑄造技術(shù)的特點(diǎn)

　　在鑄造多晶硅制備工藝中，定向凝固主要是用于晶體生長，獲得大尺寸柱狀晶。而大尺寸、柱狀晶的生長直接決定于合理的熱場(chǎng)設(shè)計(jì)、定向凝固速度(R) 和溫度梯度(G) 等工藝參數(shù)的控制，G/R 值是控制晶體長大形態(tài)的重要判據(jù)。在凝固過程中，較高的G 可防止出現(xiàn)成分過冷，以免硅錠柱狀晶體生長受阻，實(shí)際生產(chǎn)中可增大下方冷卻塊的冷卻速度來獲得較大G，這樣會(huì)使凝固速率增大。此外，提高固-液界面的液相溫度也達(dá)到提高G 的目的。

　　一般定向凝固提純過程包括：裝料，抽真空，加熱，熔化，凝固，冷卻等幾個(gè)工序。而多晶硅的鑄錠過程比定向凝固提純過程多出一個(gè)退火工序，這是二者在工藝參數(shù)控制不同方面之外的另外一個(gè)區(qū)別。圖4 給出了典型的多晶硅鑄錠爐的工藝參數(shù)。

圖4 多晶硅鑄錠爐的工藝參數(shù)

　　1.2.2、定向凝固提純技術(shù)的特點(diǎn)

　　在冶金法多晶硅制備新工藝中，定向凝固技術(shù)是不可或缺的提純手段之一，主要是用于去除金屬雜質(zhì)，而且金屬雜質(zhì)的去除效果直接決定于定向凝固速度和溫度梯度等工藝參數(shù)的控制。從圖5 硅中雜質(zhì)的分凝系數(shù)可以知道，硅中大部分金屬雜質(zhì)( 比如Fe、Al、Ti、Ca 等主要雜質(zhì)) 都具有較小的分凝系數(shù)，通過控制適當(dāng)?shù)亩ㄏ蚰�固提純工藝使金屬雜質(zhì)向液相富集，最后集中在硅錠上部，通過硅錠切頭實(shí)現(xiàn)硅中雜質(zhì)去除。

5、結(jié)論

　　綜上所述，在冶金法多晶硅制備過程中，定向凝固技術(shù)既可以用來去除硅中的金屬雜質(zhì)，也可以用來獲得較好的晶體質(zhì)量和電學(xué)性能。為了進(jìn)一步的提高冶金法多晶硅的提純效果和鑄造質(zhì)量，必須對(duì)以下幾個(gè)方面的問題做深入系統(tǒng)的研究。①多晶硅鑄錠過程的工藝參數(shù)和工作環(huán)境對(duì)晶體質(zhì)量和電學(xué)性能影響的作用機(jī)理，如熱應(yīng)力與晶體缺陷、雜質(zhì)與晶體缺陷之間的內(nèi)在聯(lián)系等。②冶金法多晶硅定向凝固提純過程中晶體生長及其與缺陷、電學(xué)性能之間的相互影響與作用關(guān)系等。③兼顧了多晶硅的提純和晶體生長兩種功能的新型定向凝固技術(shù)的基礎(chǔ)理論、工藝參數(shù)控制及其對(duì)多晶硅品質(zhì)和太陽電池性能的影響等方面有待進(jìn)一步開展深入系統(tǒng)的研究。