シリコンから金属不純物を除去するために、方向性凝固炉はどのように使用されますか？太陽光発電グレードの純度を達成する

方向性凝固炉は、冷却中の不純物の溶解度の違いを利用して、アップグレードされた冶金グレードシリコン（UMG-Si）を精製します。正確な温度勾配を確立することにより、炉はるつぼの底から上に向かってシリコンをゆっくりと結晶化させ、金属汚染物質から純粋なシリコンを効果的に分離します。

中心的なメカニズムは、金属不純物の偏析係数に依存しています。これらの不純物は、固体結晶構造よりも液体溶融状態に留まることを好むため、凝固するシリコンによって継続的に拒絶され、インゴットの上部にある最終的な「溶融ゾーン」に押し上げられます。

精製の仕組み

炉はシリコンを均一に冷却しません。代わりに、るつぼの底が最初に冷却されることを保証する厳密な温度勾配を維持します。

これにより、凝固前線が制御された方法で垂直方向、つまり下から上へと移動できます。

この精製を駆動する化学的原理は、固体相と液体相の間の偏析係数の違いです。

金属不純物は、固体シリコンよりも液体シリコンの方がはるかに高い溶解度を持っています。その結果、シリコン原子が結晶格子にロックされると、外国の金属原子を拒絶します。

凝固前線が上方に進むにつれて、残りの液体中の拒絶された不純物の濃度が増加します。

最終的に、これらの金属不純物の大部分は、最終溶融ゾーンとして知られるインゴットの最上層に閉じ込められます。これにより、下のインゴットの大部分を非常に純粋に保つことができます。

これが生産チェーンのどこに位置するかを理解することが重要です。アーク炉（EAF）が最初の基盤となります。

EAFは、初期の冶金グレードシリコンを生成する還元反応を促進します。次に、方向性凝固が、EAFプロセスで残った金属不純物を除去するための後続の精製ステップとして機能します。

効果的ですが、このプロセスは必要な副産物を生成します。

不純物はインゴットの上部に集中しているため、このセクションは「犠牲」層として機能します。下の高純度シリコンにアクセスするために上部を機械的に除去（切り取り）して廃棄する必要があるため、総材料収率が低下します。

不純物除去の効果は、凝固速度に直接関係しています。

冷却が速すぎると、不純物は液体に拡散する時間がなく、固体結晶内に閉じ込められます。したがって、このプロセスでは、大規模で高品質なインゴットを確保するために、忍耐と正確な熱管理が必要です。

方向性凝固の効果を最大化するには、それをより大きなシステムの一部として見なす必要があります。

成功は、温度勾配の速度と不純物偏析の物理的限界とのバランスをとることにかかっています。