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多晶硅新工藝中，定向凝固技術得到了較好的應用。定向凝固技術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，在鑄造過程中用來進行大尺寸柱狀晶的生長，以期獲得較好的晶體質量和電學性能。本文在詳細介紹冶金法多晶硅制備過程中定向凝固提純去除硅中金屬雜質和多晶硅鑄造過程中晶體生長與電學性能提升最新研究進展的基礎上，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成本，有利于冶金法多晶硅的技術進步和大規(guī)模應用。

　　近幾年來，國內外的許多研究者都在探索一種太陽能級硅的低成本制備工藝，在眾多新工藝中，冶金法提純工業(yè)硅制備太陽能級硅是很有應用前景的新工藝之一。圖1 給出了冶金法制備太陽能級多晶硅新工藝的典型技術路線圖。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元素物化性質的差異，采用物理冶金的手段，依次去除硅中各種雜質，主要包括以下幾個步驟：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 等對化學和冶金路線制備太陽能級多晶硅制備技術進行了評述，認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的研究結果表明，通過兩次定向凝固可將硅中金屬雜質降低到太陽能級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的效果。

1、定向凝固技術理論

　　1.1、定向凝固技術原理

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

圖2 定向凝固前后雜質含量( 質量比) 變化

圖3 定向凝固原理圖

　　1.2、鑄造技術和定向凝固提純的特點與區(qū)別

　　1.2.1、鑄造技術的特點

　　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設計、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，實際生產中可增大下方冷卻塊的冷卻速度來獲得較大G，這樣會使凝固速率增大。此外，提高固-液界面的液相溫度也達到提高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，冷卻等幾個工序。而多晶硅的鑄錠過程比定向凝固提純過程多出一個退火工序，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、定向凝固提純技術的特點

　　在冶金法多晶硅制備新工藝中，定向凝固技術是不可或缺的提純手段之一，主要是用于去除金屬雜質，而且金屬雜質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 硅中雜質的分凝系數(shù)可以知道，硅中大部分金屬雜質( 比如Fe、Al、Ti、Ca 等主要雜質) 都具有較小的分凝系數(shù)，通過控制適當?shù)亩ㄏ蚰�固提純工藝使金屬雜質向液相富集，最后集中在硅錠上部，通過硅錠切頭實現(xiàn)硅中雜質去除。

5、結論

　　綜上所述，在冶金法多晶硅制備過程中，定向凝固技術既可以用來去除硅中的金屬雜質，也可以用來獲得較好的晶體質量和電學性能。為了進一步的提高冶金法多晶硅的提純效果和鑄造質量，必須對以下幾個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)境對晶體質量和電學性能影響的作用機理，如熱應力與晶體缺陷、雜質與晶體缺陷之間的內在聯(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、電學性能之間的相互影響與作用關系等。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的基礎理論、工藝參數(shù)控制及其對多晶硅品質和太陽電池性能的影響等方面有待進一步開展深入系統(tǒng)的研究。