Si-Al合金中初晶硅与共晶组织分离调控机制研究

摘要

冶金法作为一种新型优良的太阳能级多晶硅制备工艺，具有绿色、低能耗、工艺简单等优点，因此被广泛研究。合金凝固精炼法是冶金法中一种具有低温精炼、高效除杂等优势的新工艺方法。合金凝固精炼法的主要原理是：多晶硅在再结晶析出的过程中，杂质在硅固液相中会产生分凝现象，大量的杂质富集在液相熔体中从而达到净化初晶硅的目的。但是由于初晶硅在熔体中离散析出，因此较难回收。本文针对合金凝固精炼中出现的上述问题，提出采用温度梯度区域熔炼法（TGZM）在Si-Al合金中生长初晶硅，在完成除杂的同时，整块分离初晶硅，解决合金凝固精炼中出现的初晶硅回收问题。并通过添加硅源保证初晶硅的连续快速析出，提高块体硅的生长速度，实现初晶硅的高效分离。在实验过程中，探索了块体硅的结晶形核生长机制，明确了影响块体硅生长形貌及生长速率的各类因素，最后分析了杂质的分布情况及去除效率。并得出了以下结论： （1）TGZM法生长块体硅的法生长块体硅的过程是在一个负温度梯度下 ，硅源在高温端溶解，硅原子在合金熔体中扩散， 初晶硅在底部低温端析出连续生长 。通过控制温度梯度、初始温度、下拉速度、添加硅源等实验条件成功的在Si-Al合金中生长得到块体硅。 （2）块体硅的生长主要受到多种因素的协同影响，较慢的下拉速度和较大的的温度梯度能更有效的提高块体硅的生长速率。当温度梯从1.79K/mm增加到3.97K/mm时，块体硅的生长速率从1.9×10-5 mm/s增加到增加到2.47×10-4 mm/s。添加硅源以及增加初始温度，均会提高合金中Si元素的含量，因此也会提升块体硅的生长速率。 （3）块体硅的形核生长机制是连续生长方式，因此块体硅的生长受到溶质传输的影响。理论研究表明，合金厚度在一定范围内对块体硅的生长有较大影响。但在本实验中，当合金厚度在3≤l≤10mm范围内，对块体硅的生长速率几乎没有影响。 （4）保温时间为1h时，初晶硅已开始形核生长。当增加保温时间到5h时，块体硅连续长大且生长过程未发生间断。成分过冷现象会随着保温时间的增加而加剧，淬火处理会使块体硅与合金熔体间产生内应力，从而出现裂缝。 （5）TGZM生长块体硅后，杂质主要聚集在液相熔体中，从而大大降低块体硅中的杂质。温度梯度对块体硅中杂质的含量有较大的影响，温度梯度越大，块体硅中杂质的去除效率会下降。当温度梯度为1.81K/mm，块体硅中Fe杂质含量从1106.85ppmw降低到1.02ppmw，B元素的含量从14.14ppmw降低到4.07ppmw，P元素的含量从15.25ppmw降低到1.49ppmw，三种元素的去除率分别达到为99.91%，90.23%，71.22%。

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