近幾年來(lái)，在發(fā)展較為迅速的冶金法低成本制備太陽(yáng)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(guò)程中主要用于去除硅中的金屬雜質(zhì)，在鑄造過(guò)程中用來(lái)進(jìn)行大尺寸柱狀晶的生長(zhǎng)，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(guò)程中定向凝固提純?nèi)コ�硅中金屬雜質(zhì)和多晶硅鑄造過(guò)程中晶體生長(zhǎng)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(guò)程和定向凝固鑄造過(guò)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(zhǎng)兩種功能，既與冶金法多晶硅定向凝固提純過(guò)程不同，也與多晶硅鑄造過(guò)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(lái)，國(guó)內(nèi)外的許多研究者都在探索一種太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)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(yáng)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(guò)兩次定向凝固可將硅中金屬雜質(zhì)降低到太陽(yáng)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(guò)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(zhǎng)，獲得大尺寸柱狀晶。而大尺寸、柱狀晶的生長(zhǎng)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(zhǎng)大形態(tài)的重要判據(jù)。在凝固過(guò)程中，較高的G 可防止出現(xiàn)成分過(guò)冷，以免硅錠柱狀晶體生長(zhǎng)受阻，實(shí)際生產(chǎn)中可增大下方冷卻塊的冷卻速度來(lái)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(guò)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(guò)程比定向凝固提純過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)程中，定向凝固技術(shù)既可以用來(lái)去除硅中的金屬雜質(zhì)，也可以用來(lái)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(wèn)題做深入系統(tǒng)的研究。①多晶硅鑄錠過(guò)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(guò)程中晶體生長(zhǎng)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(zhǎng)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(yáng)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。