Features of Impurity Segregation and Microstructure of Si Ingots obtained by Electron-Beam Purification of Metallurgical Grade Silicon

Abstract

Насьогодні кремній сонячної чистоти (SG-Si) залишається головним матеріалом для виготовлення фотоелектричних перетворювачів (ФЕП), які широко використовуються у відновлювальній енергетиці. Підвищення ефективності ФЕП при зниженні собівартості виробництва та посиленні екологічних вимог є актуальною задачею для прикладної науки й розвитку технологій. Рішення цієї проблеми пов'язано у тому числі з методами вакуумного (VP) та окислювального (OP) рафінування під час електронно-променевого переплаву (ЕВМ) металургійного кремнію (MG-Si). У роботі досліджено вплив VP та ОP на мікроструктуру зливків кремнію, отриманих електронно-променевим рафінуванням. При цьому експериментально встановлено, що структура зливків не залежить від виду використаного рафінування VP/ОP при ЕВМ та визначається виключно технологічними/теплофізичними умовами їх тверднення. Структура отриманих зливків складалась переважно із стовбчастих кристалітів, головна вісь яких є перпендикулярною/нормальною до поверхні кристалізації. В отриманих зливках покращеного металургійного кремнію (UMG-Si), отриманого ЕВМ, відзначається помітна сегрегація включень/домішок із збільшенням їх кількості в напрямку до центру вільної поверхні розплаву, який тверднув/кристалізувався останнім. При цьому відзначено чутливість розмірів включень до використаного способу рафінування металургійного кремнію VP/ОP, на відміну від розмірів кристалітів. У зливках кремнію, отриманих електронно-променевим рафінуванням, підтверджена відсутність сегрегації домішок/включень до границь зерен, незалежно від обраного способу рафінування (VP/ОP). Аналіз хімічного складу включень в отриманих зливках підтверджує наявність ефекту «спадковості» – переважна більшість включень являють собою автономні одноелементні фази залишкових домішкових елементів та малокомонентні мікровключення зі співвідношенням елементів їх хімічного складу, подібним до таких у вихідному MG-Si.

Today, solar-grade silicon (SG-Si) is the most used material for the manufacture of solar photovoltaic converters (SPVC), which are widely used in the renewable energy, industry and households. Improving the efficiency of SPVC while reducing the cost of production and strengthening environmental requirements is the urgent and important task for modern applied science and technology development. The solution to solving this problem is due, among other things, to refining methods: vacuum purification (VP) and oxidative purification (OP) during electron-beam melting (EBM) of metallurgical-grade silicon (MG-Si). The influence of VP and OP on the microstructure of silicon ingots, obtained by the EBM of MGSi, is studied in the present paper. It is experimentally established that the structure of ingots does not depend on the type of VP/OP refining used during EBM and is determined prefer by the technological/thermo-physical conditions of their solidification/crystallization. The structure of the obtained ingots consists mainly of more frequent crystallites, their main axis is perpendicular to the surface of solidification. In the obtained ingots of upgraded metallurgical silicon (UMG-Si) by EBM, there is a noticeable segregation of inclusions with an increase in their number in the direction from the center to the free surface of the melt that solidified last. The sensitivity of the particle sizes of inclusions according to the type of refining of metallurgical silicon VP/OP is noted, in contrast to the size of crystallites. The absence of segregation of impurities onto grain boundaries, regardless of the selected refining method (VP/OP), is confirmed in ingots of UMG-Si obtained by EBM of MG-Si. Analysis of the chemical composition of impurities in the obtained ingots confirms the presence of the "heredity effect" – majors of impurities are autonomous single-element phases of residual and low-component impurities with a ratio of elements of their chemical composition similar to those in the initial MG-Si.