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随着光伏行业的快速发展,对高纯多晶硅原料的需求越来越大。合金法提纯以其杂质去除率高、环境友好等优点成为一种极具潜力的太阳能级高纯多晶硅制备技术。Al-Si合金是研究最为广泛的合金体系。由于Al-Si合金共晶成分较高(Al-12.7 wt.%Si),造成Si原料的大量浪费。因此,如何提高初晶硅收率并降低杂质含量是制约该技术规模化应用的瓶颈之一。针对以上问题,本论文开展了采用半固态热处理技术和Al-Si-Sn三元合金体系来提高合金法制备高纯多晶硅收率的研究。论文获得了以下研究成果。在半固态热处理研究方面:首次采用半固态热处理技术制备高纯多晶硅,达到了增加收率的目的。发现低温半固态热处理(<600℃)有利于初晶硅晶粒长大,“熟化效应”是初晶硅收率增加的主要原因。半固态热处理时,溶解的共晶硅团聚在一起形成团簇,并沉积在近邻的初晶硅表面,使初晶硅的尺寸增加。初晶硅中的杂质含量随热处理时间的延长逐渐降低,同时片状初晶硅之间的“分离效应”有利于杂质的去除,显著降低了 Al对初晶硅的污染。对于Al-50Si合金,最佳的半固态热处理工艺为590℃保温35 min。此时,初晶硅收率为88.8%,高于初晶硅的理论收率;初晶硅中B的去除率为94.6%,P和金属杂质的去除率大都在99%以上。在Al-Si-Sn三元合金研究方面:“共晶成分效应”和“扩散效应”是影响初晶硅收率的两个主要因素。一方面,Sn能够促进初晶硅在<112>和<111>方向上的择优生长,并降低合金的熔点和共晶成分,初晶硅的形核率降低,使晶粒能够充分长大;另一方面,较高的Sn含量增加了合金的粘度,降低了 Si原子的扩散能力,抑制了初晶硅的长大。同时,较低的凝固速率,使初晶硅的析出时间变长,增加了大尺寸晶粒的含量。对于Al-50Si合金,采用10%-15%的Sn添加量、4℃/min的凝固速率,可获得90%左右的收率,比未添加Sn时的收率提高了约5%;此时,初晶硅中B和金属杂质的含量在1ppmw以下,P杂质的含量在1.8～2.8ppmw之间。Sn的吸附效应使Ca、Cu、Ti、P等杂质的去除率显著增强,Sn导致大量B原子滞留在初晶硅边界,对Fe无吸附效应,弱化了 B和Fe杂质的去除效果。综上所述,本论文着眼于提高合金法制备初晶硅收率这一研究热点,提出了新技术并进行了一定的理论研究。首先,引入半固态热处理技术使初晶硅的收率高于Al-Si合金的理论收率,并对“熟化效应”进行了准原位表征。其次,优化三元合金的提纯工艺,使初晶硅的收率提高了 5%,阐明了 Sn对杂质原子的“吸附效应”。基于Al-Si合金法制备高纯多晶硅的国内外研究现状,本论文的研究工作具有一定的创新性和实用性,为合金法的规模化生产奠定了一定的基础。