O fornecimento de silício purificado em quantidade e custo razoável é fundamental para a cadeia de produção de painéis fotovoltaicos. Uma das rotas tecnológicas para obter esse material com grau de pureza adequado (silício de grau solar) envolve uma etapa de solidificação unidirecional controlada de lingotes de silício grau metalúrgico. Devido a algumas propriedades específicas do silício, durante a solidificação unidirecional a maioria das impurezas metálicas é concentrada no líquido, resultando em um sólido muito mais puro que o sólido inicial. O transporte dessas impurezas no líquido pode afetar tanto a macrossegregação como a estabilidade de uma possível interface sólido-líquido plana. A morfologia plana, por sua vez, também pode facilitar a macrossegregação e, portanto, deve ser investigada. Alguns estudos envolvendo experimentos e modelos matemáticos abordaram os efeitos da convecção forçada no transporte de impurezas e suas consequências na macrossegregação. No entanto, a maior parte desses estudos tratou a convecção induzida por campos eletromagnéticos e suas análises eram limitadas à macrossegregação, sem a observação da macro e microestruturas dos lingotes obtidos. O presente trabalho objetiva estudar os efeitos da convecção forçada por um disco rotativo na macrossegregação de impurezas, na micro-macroestrutura bruta de solidificação e na morfologia da interface sólido-líquido durante a solidificação transiente e unidirecional de lingotes de silício de grau metalúrgico visando a obtenção do silício de grau solar. Foram conduzidos experimentos de solidificação unidirecional de silício grau metalúrgico com diversos níveis de convecção forçada, obtidos a partir de diferentes velocidades de rotação do disco. Os lingotes resultantes foram caracterizados quanto à macro e microestrutura e análises químicas foram realizadas em diversas regiões do lingote, permitindo a construção de perfis de macrossegregação dos diferentes tipos de impurezas. Verificou-se que a convecção forçada aumenta a macrossegregação de impurezas e também a extensão da região do lingote sem a presença de intermetálicos. As análises químicas indicaram que a região sem intermetálicos tem reduzida concentração de impurezas (região purificada). Um modelo matemático baseado na análise da transferência de calor e massa em conjunto com parâmetros de estabilidade propostos na literatura foi implementado, mostrando que as condições dos experimentos realizados permitem a presença de uma interface sólido-líquido plana durante a solidificação da região purificada, o que pode também ter contribuído para a purificação do silício.

The supply of purified silicon in large quantities and at reasonable costs is of paramount importance for the photovoltaic panel industry. One of the technological routes to obtain highpurity grade silicon includes the controlled unidirectional solidification of metallurgical grade silicon. Owing to some specific silicon properties, during unidirectional solidification most metallic impurities are concentrated in the liquid and the newly formed solid is much purer than the original solid. The transport of such impurities within the liquid might affect both the impurity macrosegregation and the stability of a possible planar solid-liquid interface. The planar morphology can facilitate macrosegregation and, thus, should also be investigated. A few studies containing experiments and mathematical models were concerned with the effects of forced convection on the impurity transport and its consequences on macrosegregation. Nevertheless, most of these studies evaluated the convection induced by electromagnetic fields and were limited to the analysis of macrosegregation, without examining the macro and microstructures of the resulting ingots. The objective of the present work is to study the effects of forced convection caused by a rotating disk on the macrosegregation of impurities, on the micro-macrostructure of the ingots and on the solid-liquid interface morphology during the transient unidirectional solidification of metallurgical grade silicon, aiming at the solar silicon production. Experiments of controlled unidirectional solidification of metallurgical grade silicon were carried out, with several levels of forced convection imposed by different disk rotation velocities. The macro and microstructures of the ingots were characterized and chemical analyses of different ingot regions were made, allowing the creation of macrosegregation profiles of different types of impurities. An increase in the severity of forced convection increases the macrosegregation of impurities and the size of the region without intermetallic particles. Chemical analysis indicates that this region has low concentration of impurities (purified region). A mathematical model based on the analysis of heat and mass transfer together with a set of stability parameters published in the literature was built up, showing that a planar solid-liquid interface could exist during solidification of the purified region in the present experimental conditions, which might contribute to the silicon purification.