太阳能发电具有安全可靠、无污染、分布广泛和无机械转动部件等独特优点,受到了世界各国的高度重视。同时,在目前可再生能源中光伏发电是比较成熟的技术,世界各国尤其美、日、德等发达国家先后启动了大规模的国家光伏发展计划,刺激光伏产业迅速发展。光伏产业的高速增长催生了对多晶硅的大量需求。目前,光伏产业应用过程中面临的主要障碍为成本过高以及硅材料的短缺。在不影响效率的前提下,降低硅的成本是降低硅太阳能电池成本的关键。目前,太阳能级硅生产所需的原料主要来自于微电子工业中的边角料,考虑到应用于微电子工业和光伏领域中硅材料的规模和纯度以及包含在生产工艺过程中成本的不同,为了满足光伏产业对多晶硅的迫切需求以及摆脱太阳能级硅对电子级硅的依赖,世界各国积极开展了低成本太阳能级硅生产工艺的研究。本文通过对冶金级硅中不同杂质存在形式与分布特点的分析,提出了一种新的冶金提纯工艺路线,具体提纯工艺路线如下：①冶金级硅的酸洗预处理→②电磁感应造渣精炼→③电子束精炼一④定向凝固。试验结果表明上述四种工艺针对硅中不同类型的杂质具有较好的去除效果。最终成功制备出纯度为5N-6N的太阳能级多晶硅铸锭。各个精炼工艺的研究结果如下：选用盐酸与氢氟酸进行了对比试验,结果表明：盐酸的酸洗效果要优于氢氟酸。由于氢氟酸在酸洗过程中会产生难溶性的物质,且易挥发和产生爆炸,因此本试验最终选择盐酸作为酸洗溶液。盐酸酸洗时的最优化工艺参数如下：固液比1：20,15wt%,80℃,10h,100um。酸洗后硅中杂质铝、铁和钙的去除效率分别达到75.6wt%,79.3wt%和61.7wt%。酸洗处理后硅的纯度由99%提高到99.9%左右。同时在酸洗过程中施加超声震荡,声流和声空化作用能够去除硅粒表面晶界狭缝处的杂质,因此可以提高酸洗提纯效果。但酸洗工艺对冶金级硅中的B和P等非金属杂质没有任何去除效果,而且存在酸洗极限即酸洗并不能将硅中的金属杂质全部去除。酸洗虽然仅仅作为冶金工艺中的预处理环节,但它也是一个非常重要而且是不能缺少的环节。重点对SiO2-CaO-Na2O和SiO2-CaO-Al2O3造渣系在不同的精炼温度,精炼时间和造渣剂成分条件下对杂质B的去除规律进行了热力学与动力学研究。研究结果表明：SiO2-CaO-Al2O3造渣系除杂效果明显好于SiO2-CaO-Na2O造渣系。在SiO2-CaO-Al2O3造渣系下,当造渣剂比重为10%时,精炼温度为1823K,精炼时间为2h,精炼后杂质B的含量由原来的15 ppmw成功地降低到2 ppmw。同时硅中金属杂质元素Al、Ca和Mg也得到了很好的去除,去除率分别达到了85.0%、50.2%和66.7%。电磁感应的搅拌作用可以对熔体产生强烈的搅拌作用,通过提高杂质在边界层内的传质系数,增强杂质在边界层内的扩散,从而可以改善和加速B的去除过程。采用自行设计的电子束熔炼炉对冶金级硅进行了电子束精炼研究,并对杂质的去除过程进行了热力学与动力学研究。研究结果表明：硅中金属杂质铝、钙与非金属杂质磷的挥发反应均为一阶反应,即单原子挥发反应。因此杂质元素通过气相边界层扩散到气相中的自由挥发过程为整个去除过程的控制环节。当电子束功率为20kW,时间为30min,精炼硅中主要杂质除了铁、铝和钛的含量仍大于1ppmw,其它金属杂质的含量都降到了0.1ppmw以下,尤其是杂质磷的含量降低到了0.16ppmw。本文推导出了硅中各种杂质含量与电子束功率和精炼时间的关系表达式如下：试验验证表明理论计算值与实验值基本一致。由于硅中的杂质含量与精炼时间成负指数关系,因此硅中的杂质含量与硅料的进料速度也成反比。因此为了提高生产效率,降低成本,本文选择电子束功率为30kW进行连续精炼。当出口硅中杂质磷的含量为1ppmw时,要求硅料的进料速度大约在O.1kg/min。采用自行设计的电子束定向凝固炉对硅的定向凝固工艺进行了详细地研究。研究结果表明：当硅熔体过热度为130K、凝固速度为3.0×10-5m/s时,采用涂有氮化硅涂层的石英陶瓷坩埚进行定向凝固得到了表面质量非常光滑,完整的多晶硅铸锭。硅锭尺寸为Φ70 mm×210 mm,且硅锭中部柱状晶晶粒尺寸宽为3～4mm,长为10-30mm。硅锭的临界提纯高度约为140mm左右,约占整个铸锭高度的66.7%。铸锭中铝、铁和钛等金属杂质的含量都控制在0.1 ppmw以下,非金属杂质硼的含量控制在0.6ppmw左右,磷含量控制在0.1 ppmw以下,碳、氧和氮的含量基本控制在10ppmw左右。多晶硅铸锭纯度达到了5N以上,铸锭中各种杂质的含量都达到了太阳能级硅对杂质所要求的范围之内。