방향성 응고로는 냉각 중 불순물의 용해도 차이를 이용하여 업그레이드된 야금 등급 실리콘(UMG-Si)을 정제합니다. 정밀한 온도 구배를 설정함으로써, 용광로는 도가니 바닥에서 위쪽으로 실리콘을 천천히 결정화시켜 금속 오염 물질로부터 순수한 실리콘을 효과적으로 분리합니다.
핵심 메커니즘은 금속 불순물의 분리 계수에 의존합니다. 이러한 불순물은 고체 결정 구조보다 액체 용융 상태에 더 잘 남아 있으므로, 응고되는 실리콘에 의해 지속적으로 거부되어 잉곳 상단의 최종 "용융 구역"으로 밀려납니다.
정제의 메커니즘
제어된 온도 구배
용광로는 실리콘을 균일하게 냉각시키지 않습니다. 대신, 도가니 바닥이 먼저 냉각되도록 보장하는 엄격한 온도 구배를 유지합니다.
이를 통해 응고 전선이 제어된 방식으로 수직으로—바닥에서 위쪽으로—이동할 수 있습니다.
분리 계수의 역할
이 정제를 구동하는 화학 원리는 고체와 액체 상 사이의 분리 계수의 차이입니다.
금속 불순물은 고체 실리콘보다 액체 실리콘에 훨씬 더 높은 용해도를 가집니다. 결과적으로, 실리콘 원자가 결정 격자에 고정될 때, 외부 금속 원자를 거부합니다.
최종 용융 구역의 농도
응고 전선이 위쪽으로 진행됨에 따라, 남아있는 액체에서 거부된 불순물의 농도가 증가합니다.
결과적으로, 이러한 금속 불순물의 대부분은 최종 용융 구역으로 알려진 잉곳의 맨 위쪽 층에 갇히게 됩니다. 이를 통해 아래쪽 잉곳의 대부분이 매우 순수하게 유지될 수 있습니다.
프로세스 맥락화
기반: 전극 아크로
이것이 생산 체인에서 어디에 속하는지 이해하는 것이 중요합니다. 전극 아크로(EAF)는 초기 기반 역할을 합니다.
EAF는 초기 야금 등급 실리콘을 생성하는 환원 반응을 촉진합니다. 그런 다음 방향성 응고는 EAF 공정에서 남은 금속 불순물을 제거하는 후속 정제 단계 역할을 합니다.
제약 조건 이해
수율 대 순도
효과적이지만, 이 과정은 필요한 폐기물을 생성합니다.
불순물이 잉곳 상단에 농축되기 때문에, 이 부분은 "희생" 층 역할을 합니다. 아래쪽의 고순도 실리콘에 접근하기 위해 상단 부분을 기계적으로 제거(절단)하고 폐기해야 하므로 전체 재료 수율이 감소합니다.
시간 및 제어
불순물 제거의 효과는 응고 속도와 직접적으로 관련됩니다.
냉각이 너무 빠르면 불순물이 액체로 확산될 시간이 없어 고체 결정 내에 갇히게 됩니다. 따라서 이 과정은 대면적, 고품질 잉곳을 보장하기 위해 인내심과 정밀한 열 관리가 필요합니다.
목표에 맞는 올바른 선택
방향성 응고의 효과를 극대화하려면, 이를 더 큰 시스템의 일부로 보아야 합니다.
- 순도 극대화가 주요 초점이라면: 열 제어 시스템이 불순물 갇힘을 방지하기 위해 느리고 안정적인 응고 전선을 유지하도록 하십시오.
- 공정 효율성이 주요 초점이라면: 응고가 시작되기 전에 초기 불순물 부하를 최소화하기 위해 전극 아크로 단계에서 공급 원료 품질을 최적화하십시오.
성공은 온도 구배의 속도와 불순물 분리의 물리적 한계 사이의 균형을 맞추는 데 있습니다.
요약 표:
| 특징 | 메커니즘 | 정제에 미치는 영향 |
|---|---|---|
| 온도 구배 | 바닥에서 위쪽으로의 수직 냉각 | 결정 성장 방향 제어 |
| 분리 계수 | 불순물의 액체 상 선호도 | 금속 원자를 용융 구역으로 거부 |
| 최종 용융 구역 | 잉곳 상단의 농축 | 불순물이 풍부한 층의 쉬운 제거 가능 |
| 냉각 속도 | 느리고 정밀한 열 관리 | 고체 격자에 불순물이 갇히는 것 방지 |
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참고문헌
- Production of upgraded metallurgical-grade silicon for a low-cost, high-efficiency, and reliable PV technology. DOI: 10.3389/fphot.2024.1331030
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