基于CA方法的铸锭多晶硅的微观组织模拟

摘要

铸锭多晶硅是一种结晶形态为多晶的单质、高纯硅，具有优良的半导体特性，广泛应用于制造硅基太阳电池，其制备方法普遍采用定向凝固技术。铸锭多晶硅微观组织形态、缺陷直接影响电池光电转换效率。本文利用元胞自动机（CA）数值模拟方法，模拟了铸锭多晶硅生长过程中的微观组织形态及其形成过程，并与实验结果验证，探索了晶界等缺陷的形成机制。 1、微观组织计算数值模型的建立。根据晶体生长的热力学和动力学原理，设定合理的边界条件，建立数值模型，利用元胞自动机和有限差分法对模型进行解构并修正。模拟采用C语言编程，整个程序分为四部分：定义模块，温度场计算，微观组织模拟及图像处理。通过宏微观网格耦合计算的方法，建立了温度场计算-形核-生长-转变和捕获之间的联系。 2、晶体形核和生长过程的模拟。利用自建模型，求解多晶硅生长过程中的温度场、固液界面形状，并模拟形核以及柱状晶形成过程和掺杂过程。首先在底部形成细晶区，进而部分晶粒长成柱状晶并不断向熔体里推进。同时，探索了侧壁换热系数对晶体生长的影响，当侧壁换热系数为500W·m-2·K-1时，径向温度梯度较小，固液界面能保持平直状向熔体里推进，且柱状晶的生长速率随晶体高度的增加而降低；掺杂后，易形成凹界面且可以清楚的看到杂质在晶界处富集。 3、晶粒竞争生长过程的模拟。在晶体生长过程中，每个晶粒的晶界能各不相同，通过多晶硅晶粒之间的竞争、合并及淘汰机制，只有部分晶粒可以长成柱状晶，且晶粒数目随晶体高度的增加而减少。除此之外，由许多细小晶粒产生的锯齿形界面的凹凸程度随晶粒之间的竞争和淘汰机制逐渐降低，最终形成光滑的固液界面。在晶体生长过程中晶粒的生长速率和固液界面凸出率呈先增加后减小的趋势，最终完成多晶硅铸锭的生长。综合比较坩埚底部的换热系数，得出当坩埚底部的换热系数为1000W·m-2·K-1时，有利于形成适合晶体生长的温度场，获得大尺寸晶粒。

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