在近些年来,太阳能级多晶硅作为光伏产业的主要原料,其提纯方法逐渐受到研究者们的热点关注。目前在制备高纯太阳能级多晶硅的方法中,因合金法提纯有众多优势:低成本、较为环保、耗能少,而成为实验室中极受欢迎的方法。其中,在Al-Si合金体系方面的研究最为广泛,而在此合金体系下,A1杂质的含量过高,且容易造成硅原料的浪费;同时,对于合金中第三元素的添加并没有系统的最佳成分研究。针对以上问题,本文研究了 A1-Si-Cu三元合金体系下,初晶硅的收率变化和除杂的效果。在此基础上,取最佳合金成分,进行电磁定向凝固实验。论文主要获得以下结论:首先,以Al-50Si和Cu-50Si合金为研究对象,采用相同的工艺制备了合金铸锭并对初晶硅的收率和纯度进行了对比分析。结果发现:Al-50Si合金中的初晶硅,在Al-Si共晶组织中,以片状结构均匀地分布;而Cu-50Si合金制备的初晶硅分布在Cu3Si基体中。Cu-50Si合金在凝固过程中,生成Cu3Si相;由于消耗了大量的Si原子,使收率(51.7%)远低于Al-50Si合金的实际收率(83.6%)。Cu-50Si合金制备的初晶硅,其晶粒尺寸越大,纯度越好。Al-50Si合金的去除效果优于Cu-50Si合金,尤其对非金属杂质B和P。其次,对于Al-Si-Cu三元合金的研究表明:由于Cu元素和其他杂质元素之间存在较强的亲和力,使得杂质含量显著降低。Cu的加入能降低铝的活度系数,使Al的去除率提升到约92%。Cu的添加不仅降低了合金熔点,而且降低了共晶成分,促进初晶硅晶粒的生长;同时,较低的凝固速率增加了初晶硅的析出时间,使晶粒充分长大,最终将初晶硅的收率提高了约4%。当Cu的添加量在2%-3%时,杂质的去除效果最佳;A1的去除效果最明显,从353.1 ppm降至约143 ppm,B、P、Ti、Zn、Mg的含量均降至1 ppm以下。最后,在电磁定向凝固方面,采用最佳三元合金成分(Al-49 wt.%Si)-2 wt.%Cu,使用电磁熔炼定向凝固技术将实验规模化。试验结果表明,在电磁作用下制备的合金铸锭,其初晶硅出现了偏聚。不同分布区域下,初晶硅的宽度、含量也不同。处于富A1层的初晶硅宽度最小,在<111>方向上的生长最弱,初晶硅含量也最少;位于定向凝固层的初晶硅宽度最大,在<111>方向上的择优生长最明显,初晶硅含量也最高;而在富Si层的初晶硅宽度适中,在<1 11>方向上的择优生长比定向凝固层略弱,初晶硅含量也略少。各分布区域中,初晶硅的除杂效果也不同。处于富A1层的初晶硅杂质去除效果最好,而初晶硅逐渐往底部分布时,杂质去除效果逐渐变差。同时,金属杂质Fe、Ti、Mg和Zn的去除率均大于90%。综上所述,本论文旨在用三元合金法提高初晶硅收率和除杂效果这一研究热点,提出了新的实验方案并进行了实践和理论的研究。首先,采用三元合金法制备工艺,将初晶硅收率提高了约4%,使合金中主要的杂质元素A1的去除率达到92%。其次,采用电磁定向凝固技术将最佳三元合金成分进行规模化生产,结果表明,该法能够有效降低合金中A1的含量。结合国内外研究现状,本论文的研究工作具有一定的实用性和创新性,为A1-Si合金法的规模化生产打下了一定的基础。