现如今,真空定向凝固是冶金法制备太阳能级硅最主要工序之一,但定向凝固法制备太阳能级多晶硅是一个高度真空、高温加热的不可视的过程,且伴随热量传递、高热应力、固液相变、熔体流动等复杂的物理特征,各个物理特征之间具有相互耦合的关系,所以这个过程需从工艺技术和理论上进行深入的研究和认识。本文采用#3303工业硅进行多晶硅真空定向凝固实验和数值计算研究,考虑了由于硅熔体的自由表面张力梯度所产生的Marangoni效应、其对硅熔体流动速度、铸锭内部应力场-温度场及固-液界面形状均有影响,本文以多晶硅真空电阻炉为依据,1:1建立了垂直Bridgman系统下的多晶硅真空定向凝固过程中硅料内部温度-流动-应力场等多场耦合模型,并通过实验和数值模拟结合研究了保温温度对多晶硅真空定向凝固过程中铸锭内部的晶体生长取向、杂质去除率及杂质分布形态的影响。研究结果表明:下拉速度10μm/s、保温时间0.5h、保温温度1730K的条件下形成的多晶硅铸锭内部晶体生长取向、除杂效果、杂质分布形态等各项指标最优;当保温温度过高(≥1760K)时,一方面会使凝固过程中的固态硅料发生重熔,硅锭内部释放热应力的能力相对减弱,同时晶体的生长缺陷也会变多;另一方面,最终完全凝固后的铸锭也会在其内部发生开裂现象,固-液界面凹凸不平,这会严重影响大尺寸柱状晶的形成及杂质的去除效果。其他工艺参数相同的条件下,保温温度过低会导致挥发性杂质的扩散能力减弱,这严重削弱了多晶硅铸锭的性能及定向凝固除杂效果。最好的晶体形貌是在保温温度为1730K时,数值模拟结果中保温温度为1730K条件下的固-液界面呈现相对平坦而微凸的形态,实验结果在此条件下硅锭的晶体生长形貌最佳,这表明实验研究结果和仿真数值模拟结果可以相互验证。同时,本文进一步研究了改变多晶硅真空定向凝固末期的保温温度对铸锭内部传热特性及铸锭质量的影响。模拟结果显示适当降低定向凝固末期的保温温度时,固-液界面更加趋于平坦微凸的状态,流动状态更为均匀,熔体的流动速度有所增加,所以在多晶硅定向凝固末期适当的降低保温温度是非常必要的。