太阳能是目前比较常用的一种清洁可再生能源，是近几年能源研究的重要内容。从目前的发展趋势看，太阳能的应用成本在不断下降，我国正在逐步实现太阳能民用普及的发展目标。在太阳能电池制作的过程中，多晶硅是不可或缺的基础性材料，要实现太阳能民用普及的目标，就要提升多晶硅制备技术，为太阳能电池制作提供更多材料。从目前的研究来看，冶金法是一种比较有效的制备方法。
一、太阳能级多晶硅制备方法
太阳能级多晶硅的基磷电阻率不超过300Ω·cm；基硼电阻率不超过2600Ω·cm；碳浓度在1.0X1016at/cm³以上。在太阳能级单晶硅棒的生产中，会采用这种材料，也可以用于定向凝固多晶硅锭生产。所以，世界范围内对该原料的研究不断深入，可以采用多种方法制备，主要包括改良西门子法和硅烷法。前一种工艺比较成熟，但产率不高，会消耗大量能源和成本，对操作技术也有很高的要求。后一种工艺生产方法制作的多晶硅浓度比较高，但这种方法成本比较高，同时会产生严重的污染和能耗问题[1]。与这两种方法对比，冶金法的成本和耗电量都比较低，而且没有污染。但成品中含有杂质，产品质量不够稳定，想要实现产业化、规模化的生产，还需要解决很多技术问题。目前，大部分国家都在研究能耗低、成本低的新工艺，冶金法受到了极大的重视。
二、冶金法制备太阳能级多晶硅技术研究
（一）研究现状
冶金法就是采用冶金技术对冶金级硅进行提纯，采用解母体金属硅进行杂质分类，根据物理性质差异分离，是目前成本和能耗都比较低的一种制备技术，且不会产生环境污染问题。国外对冶金法制备多晶硅技术的研究较早，日本虽然率先研究，但近十年才开始规模化生产。日本JEF公司会采用冶金法生产，通过电子束熔炼、定向凝固等工艺手段，可以获得6N纯度的多晶硅材料。挪威Elkem公司运用硅石直接还原技术，可以获得6N多晶硅[2]。加拿大公司采用Si-Al二元系除硼、真空除磷、定向凝固除金属三种工艺技术，可以获取纯度5N多晶硅。国内在这方面研究起步较晚，经过各类高校、科研机构、社会企业十几年的努力，实现冶金法提纯多晶硅，并且与产业对接，通过冶金法材料制作太阳能电池，以此为基础构建太阳能发电站，为我国能源事业的发展贡献力量。
（二）工艺流程
采用冶金法制备多晶硅，就是采用冶金级硅作为原材料，通过提纯的方式，制成6N以上的多晶硅材料，可以在太阳能电池生产中使用。在实际制作的过程中，在工业硅中添加Ca，经过酸洗去除Ti和Fe，再采用氧化精炼去除B、C，真空处理去除P、O、Ca、Al，最后采用凝固精炼的方式生成太阳能级多晶硅。
除了HF酸，硅对其他酸都具有一定的抵抗能力，采用酸洗的方式可以将硅晶界处的杂质溶解掉，硅本身不会在酸中溶解，所以采用酸洗的方式，将偏析在晶界中的杂质去除，这种方法效果较好。酸洗工艺并不能彻底将杂质去除，因为杂质并不是均匀地分布在硅中，所以难以完全去除。不仅如此，就算在粉碎的状态下，硅也会将杂质包裹，无法和外界接触，所以难以与酸产生反应。所以，酸洗只能作为冶金法的提纯预处理环节。
造渣精炼就是在冶金级硅中添加精炼剂，精炼剂的熔点应该在硅之上。可以氧化液态硅中的杂质元素，生成产物进入渣相，金属和炉渣之间保持热平衡，进而将杂质去除。该工艺环节可以将硅中的B杂质去除。采用造渣精炼的方式将非金属杂质去掉，这种工艺比较简单，在精炼工业硅的后抬包内即可实施。在该工艺环节中，造渣剂的选择会直接影响提纯效果。不仅如此，使用大渣量可以提升去除效果，但要采取有效的尾渣处理措施，这是该环节中十分重要的处理工作。
真空精炼就是根据冶金级硅中杂质挥发性，在高温真空体系中放置原料，挥发杂质元素，以此去除杂质。在这种条件下，通过高温真空精炼的方式，可以将硅中的P、Al、Ca等元素去掉，这些元素的蒸气压比较大。杂质去除效果与蒸气压、真空度和精炼温度有直接关系，所以要对这三项条件进行把控。采用这种方式，可以有效去除容易挥发的P、Al和Ca等元素，具有操作简单、容易控制等优势。不仅如此，在实际精炼的过程中，硅熔体只接触坩埚，杂质来源得到有效通知。由于硅体导电性能不强，还可以采用真空感应的方式加热熔体，与其他提纯方法对比，这种方法效果更好。真空精炼和其他提纯工艺结合，可以完成制备太阳能级硅的全过程[3]。对硅中杂质铝、钙、磷在电子束熔炼中蒸发行为、机理进行研究。结果显示，在束熔炼过程中，一级反应中杂质铝和钙可以挥发，其中杂质在熔体内部向表面扩散会对提纯产生一定限制。采用拟合计算的方式，获取钙的传质指数k=2.64X10-5m·s-1，电子束熔炼过程中，硅会挥发损失，剩余量为91.7%。可以研究真空提纯冶金级硅的挥发速率，研究获得挥发系数为8.5-24，与普通数值相比较大，所以需要修正公式。
定向凝固工艺应用的过程中，主要根据杂质元素在固相、液相的溶解度差异进行分凝提纯，采用强制的方式对热流进行控制，使其从单一方向导出，确保坩埚中的熔体可以顺着热流反方向结晶凝固，可以获取根据生长方向整齐排列的柱状晶组织。这种方法在提纯硅工艺中发挥着十分重要的作用，在这个过程中，不仅可以去除杂质，还可以促进晶体生长。这种方法采用熔体垂直的方向，硅中大部分金属杂质都可以从固相富集到液相，然后在硅锭上方富集，采用切头的方式将杂质去除。由于定向凝固的杂质去除效果较好，所以该技术在制备工艺中始终是不可或缺的关键步骤。经过2次定向凝固处理，可以降低多晶硅中金属杂质，含量达到10-6，同时分析定向凝固下的铸锭组织、成分、温度场、电阻率，对电阻率分布规律进行研究，掌握温度梯度、拉锭速率等参数在提纯处理中的影响，然后利用计算机技术模拟硅晶体生长过程。
结语：
综上所述，太阳能级多晶硅制备技术有很多，包括改良西门子法、硅烷法和冶金法。前两种方法虽然工艺成熟，但成本较高，还可能引发环境问题。冶金法成本低、耗能低且不会污染环境。但有杂质，产品质量稳定性不足。所以，要针对冶金法的缺点进行研究和分析，采取有效的解决措施，尤其要优化提纯，减少对冶金法提纯的影响。
参考文献：
[1]赵旭. 铁对铝硅合金法提纯太阳能级多晶硅的影响机理研究[D].宁夏大学,2021.
[2]刘诗仪,李瑞冰.太阳能级多晶硅冶金法制备技术[J].冶金管理,2020(23):37-38.
[3]孟凡兴,孔剑,聂丹,刘坤,邢鹏飞,都兴红.化学法和冶金法提纯多晶硅的技术进展[J].铁合金,2019,50(05):42-48.
