多晶硅太阳电池因其较高的光电转换效率及较低的成本等优势占据了光伏行业的主要份额。利用定向凝固技术制备多晶硅锭是多晶硅太阳电池制作过程中的一个重要环节。多晶硅锭底部、顶部和侧壁存在一定长度的少子寿命较低的红区,不能满足制备多晶硅太阳电池的要求,影响多晶硅锭的利用率,提高了多晶硅太阳电池的生产成本。本文通过数值模拟和实验分析,研究了定向凝固制备的多晶硅锭中杂质的分布和赋存形态、应力分布、坩埚类型等因素对硅锭边部红区的影响,并从提高硅原料和坩埚纯度、坩埚表面改性和优化工艺参数等方面对减少硅锭红区长度的途径进行了探讨,具体内容包括以下几个部分:1.对定向凝固过程中高温下坩埚表面Si3N4分解产生的N向硅熔体扩散的过程进行分析,研究了硅锭底部红区中N的扩散对Fe杂质分布的影响,并结合Fe-Si二元相图和杂质含量检测结果得出,硅锭底部红区中Fe杂质的赋存形态主要是FeSi2,当Fe足量时,形成β-FeSi2,当Fe不足量时,形成亚稳相α-FeSi2;在退火过程结束后,采取加速冷却方式抑制过饱和固溶体α-Fe(Si)的分解,使硅锭侧壁的红区长度平均减少约5mm,红区外的硅锭平均少子寿命提高了2μs,且分布更加均匀。2.在中试实验和工业化实验两种条件下对硅锭的热应力值和分布情况进行了模拟,并结合具体实验结果得出,硅锭中在底部和顶部的高应力是导致少子寿命降低并产生红区的一个重要原因。两种实验条件下制备的硅锭最大应力值均位于顶部边缘处,中试条件制备的硅锭在此处的应力值最高达到410.7MPa,硅锭顶部红区的长度为5mm左右,在角部区域可达10mm,底部的红区长度为20mm;工业条件制备的硅锭顶部边缘处应力至最高达到70.63 Mpa,将硅锭开方后,顶部的红区长度为30.23mm,硅锭底部的红区长度为48.37mm,硅锭中的絮状缺陷数量很多,尺寸很小,在硅中分散比较均匀,也是导致红区的一个重要原因。3.研究了铸锭坩埚底部和侧壁不同形貌,以及坩埚表面改性对硅锭红区长度的影响。小试条件下对坩埚底部四种不同形貌制备的硅锭研究表明,坩埚底部为凹面和平面时,硅锭的整体少子寿命最好,最高分别可达2.68μs和2.33μs%;坩埚表面改性,可使硅锭的红区长度由40mm降低至26mm左右。工业条件下在注浆成型和注凝成型两种坩埚内制备的多晶硅锭硅锭开方后,B6小锭的整体少子寿命最高均可达6.9μs,注浆成型坩埚内制备的硅锭B区侧部红区宽度为16.6mm,注浆成型坩埚内制备的硅锭B区侧部红区宽度为13.4mm,采用注凝成型坩埚可使硅锭的利用率提高2%左右;在投炉量不变的情况下,当坩埚底部尺寸扩大6 cm后,硅锭高度将下降3.6cm,硅锭中的应力分布情况与未扩大时基本相同,但多晶硅锭的径向温度梯度略有增大,硅锭的利用率将降低0.44%,造成生产浪费。4.为减少硅锭的红区长度,从减少杂质污染与优化定向凝固工艺两个角度开展了实验研究,研究结果表明,装料前对硅原料预先进行酸洗处理提高硅原料的纯度,工业条件下可使硅锭开方后的红区长度减少7mm,红区外硅锭的少子寿命最高值由原来的4μs提高至6μs;对坩埚预先进行酸洗处理,硅锭B区小锭的红区长度可由20.8mm减少至14.9mm。采用定向凝固优化工艺制备的硅锭平均少子寿命提高至了 2.99μs以上,少子寿命未出现区域偏高或者偏低,带状分布等现象;采用籽晶半熔工艺使硅锭中A1小锭中部切片的少子寿命基本不存在红区,硅片中的少子寿命分布比较均匀,红区外硅锭整体少子寿命平均值由4μs提高到8μs以上。中试实验条件下采用激冷形核定向凝固工艺可使硅锭底部红区的长度由56.7mm减少到42.5mm,普通工艺制备的多晶硅锭底部到顶部少子寿命低于2μs的区域约占总高度的56%,激冷形核定向凝固工艺制备的多晶硅锭底部到顶部少子寿命低于2μs的区域约占总高度的40%,硅锭的利用率提高了 16%。