随着世界经济和科技的不断发展,对能源的依赖和需求持续增大,为了保障经济和发展的稳定性,世界主要发达国家已经将能源安全提升到国家战略高度。但受到常规能源拥有量以及常规能源使用中发生的碳排放等问题的制约,能源逐渐成为紧缺资源,为了破解能源安全难题,各国已经逐渐关注新能源的开发和应用。太阳能作为新能源的主要发展形式之一,得到了前所未有的关注和发展,中国从2009年开始发展太阳能光伏应用,截至2011年底,装机总量从300MW增加到3GW,增加10倍,成为全球太阳能光伏发展最快的国家之一,根据中国、美国、欧盟做出的能源(太阳能)发展规划及预计,未来太阳能仍将持续保持高速的增长势头,并预期到2015年实现与常规能源平价发电。但与光伏应用高速发展预期不相匹配的是太阳能电池的主要原料高纯多晶硅的严重缺乏,目前我国多晶硅的对外依存度为50%左右,主要采用西门子法技术制备高纯多晶硅,但随着太阳能需求的持续增加,西门子法技术在投资、能耗的限制使其不能独立支撑未来多晶硅的需求,因此需要研究大规模、低成本、绿色制造的新技术。冶金法技术就是在这样的背景下提出并发展的,冶金法是根据硅中杂质元素的特征,采用不同的技术依次去除的集成方法,主要去除杂质磷、杂质硼和金属杂质。电子束是去除硅中蒸发性杂质的有效方法,并且已经成功的应用到工业生产中,但由于对电子束去除杂质的特征和机理缺乏清晰阐释,不能根据杂质的特征针对性而是片面提高熔炼功率、延长熔炼时间等方法提高杂质去除率,造成了能量和时间的严重浪费,并限制了电子束技术的推广应用。本论文主要从电子束和硅中杂质的特征出发,从蒸发角度对硅中杂质进行分类,明确了电子束下熔炼的杂质去除对象,并通过对蒸发性杂质在硅熔体中的热力学和动力学的分析,研究其在熔体中、自由界面层、气态层中的扩散迁移规律,确定杂质去除的决定性环节,并根据此具体研究了杂质在电子束熔炼、凝固、及烛光熔炼下的去除效果及规律,并分析了以上过程的去除效率及能量利用,得到如下研究结论。1)电子束熔炼是去除蒸发性杂质P、Al、Ca的主要过程,分别降低到0.1×10-4、wt.%、0.6×10-4Wt.%、0.5×10-4、wt.%以下,满足太阳能级硅材料的要求。杂质去除能力跟电子束的熔炼功率、熔炼时间有关,在不考虑能量损耗和硅基体蒸发影响下,熔炼功率越大,熔炼时间越长,杂质含量越低,铸锭中杂质成分与时间呈对数型函数。P、Al、Ca等杂质在本实验条件下均满足一级反应,反应中的传质系数与温度的关系分别为INkp=4.46-18623/T、InkAl=1.51-15006/T和InkCa=2.85-15587/T。硅熔体的自由表面层是杂质去除的决定性过程。2)电子束降束凝固过程对杂质的去除也有重要的影响,通过电子束降束方式的调整可以控制硅熔体的凝固速度,采用线性降束的方式下,硅凝固速度呈指数型增长,采用对数的降束方法,铸锭会以线性的方式凝固,在本实验条件下计算,电子束以-dI/dt=8/3exp(-t/50)mAls的速度下降时,硅熔体呈线性凝固,凝固速度为0.09mm/s。电子束束流下降束度过快时,熔体上下表面会先于内部凝固,并在熔体中心部位形成凝固分界线。随降束速度降低,凝固时间的延长,凝固分界线逐步向顶部移动,并最终实现定向凝固。硅中的蒸发性杂质如P、Al、Ca在电子束降束凝固过程中发生明显的分凝现象,分凝作用会将杂质推到硅熔体中,提高了硅熔体中杂质浓度,促进了蒸发作用下杂质的去除效果,相比于完全的蒸发提纯过程,在总实验时间一致时,电子束熔炼与降束凝固的过程对杂质的去除效果要优于完全蒸发提纯过程,同时电子束熔炼与降束凝固过程降低了能量的消耗。3)根据电子束熔炼和凝固特征提出了电子束烛光熔炼技术,该技术可以与定向凝固技术有效衔接,并实现电子束高效、低能耗去除杂质。烛光熔炼利用了电子束圆形波扫描所形成的具有最大表面积和最浅熔池深度的临界熔池状态,采用周期性熔炼的方式逐步将定向凝固的铸锭全部熔炼,相比与电子束熔炼,烛光熔炼熔池远离水冷铜坩埚,电子束的能量得到了充分的利用,可以在低能量下熔炼大质量的铸锭,且硅的损失率很低。经实验验证,烛光熔炼可以有效去除蒸发性杂质P、Al、Ca等,与电子束熔炼相比在同样的时间或功率下拥有较高的杂质去除效率,去除率随熔炼时间的增加而增大。