铸造多晶硅生长过程中杂质的传输及数值模拟

摘要

铸造多晶硅太阳电池，具有产量大、能耗低、电池效率接近单晶硅电池等特点，现已成为晶体硅太阳电池的主流产品。为了满足大规模生产的需要，生长大尺寸多晶硅铸锭和高质量硅片成为该领域的关键。铸锭尺寸的增大必将影响生长中热场和流场的分布，从而影响长晶的稳定性以及杂质在炉内的传输及分布。铸锭中常出现的“黑云”和微晶，就是熔体中形成SiC和Si3N4颗粒造成的。一旦熔体中形成固体颗粒被界面捕获长入晶体，就会在铸锭中形成夹杂。SiC和Si3N4的形核半径大于Si的形核半径，当熔体中Si围绕SiC和Si3N4颗粒生长，就会形成微晶。
　　 本课题主要针对大晶粒铸锭生长和不同的生长工艺下杂质的传输现象进行研究。从理论上分析了杂质的传输过程，建立了O，C，N以及固体颗粒在熔体中的输运方程。考虑到SiO和CO能够通过熔体自由表面进行传输，O从坩埚壁进入到熔体的现象。本文分别在熔体自由表面和熔体/坩埚界面建立了溶质平衡方程。并采用数值模拟方法模拟了铸锭生长中杂质的输运过程。具体研究内容如下:
　　 1)分析杂质在炉内的具体传输过程，建立杂质在炉内传输的数学模型。确立了熔体，晶体，结晶界面，自由表面和坩埚与熔体接触面等处的一般控制方程和边界平衡方程。考虑到温场、流场和浓度场之间存在耦合关系，模拟中也对生长炉内热场和流场进行了数值模拟计算。
　　 2)改变石墨垫板刻槽深度以及个数的方法，在生长的初期引入枝晶生长。由于石墨垫板刻槽的出现，石墨垫板导热变的不均匀。导致了结晶的初始阶段界面上的温度梯度不同，从而获得大晶粒多晶硅生长。并分析了该工艺下O、C、N杂质及SiC和Si3N4固体颗粒的分布。
　　 3)分析了坩埚涂层材料物性（涂层厚度和渗透率）、生长速率以及氩气流速对生长中O、C、N，固体颗粒以及SiO和CO传输及分布的影响。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景

1．1．1 多晶硅太阳电池

1．1．2 铸造多晶硅生长原理

1．1．3 铸造多晶硅技术的新发展

1．2 铸造多晶硅生长中杂质传输的研究现状

1．2．1 氧杂质

1．2．2 碳杂质

1．2．3 氮杂质

1．2．4 杂质传输的研究现状

1．3 数值模拟在铸造多晶硅生长中的应用

1．4 课题研究的主要内容

第2章 铸造多晶硅生长的基本理论

2．1 炉内热场的描述

2．1．1 导热

2．1．2 对流

2．1．3 辐射

2．1．4 温场对晶体生长的影响

2．2 溶质分凝与杂质传输

2．2．1 平衡分凝系数和有效分凝系数

2．2．2 Scheil方程

2．2．3 STR方程

2．2．4 BPS理论

2．3 枝晶生长

2．4 浅胞状生长

2．5 本章小结

第3章 杂质传输过程及数学模型建立

3．1 铸锭多晶硅生长系统中各组分传输和化学反应过程

3．1．1 O杂质传输过程

3．1．2 C杂质传输过程

3．1．3 N杂质传输过程

3．1．4 熔体中的化学反应过程

3．1．5 金属杂质

3．2 杂质传输的数学模型

3．2．1 熔体中的化学反应模型

3．2．2 气相与液相处的化学反应

3．2．3 气相与固相处的化学反应

3．2．4 熔体中杂质的传输模型

3．3 本章小结

第4章 组分传输过程的数值模拟及计算参数的设置

4．1 数值模拟理论

4．2 数值模拟中几何模型的建立和参数设置

4．2．1 石墨垫板的设计和简化

4．2．2 生长过程中相关参数设置

4．3 本章小结

第5章 数值模拟结果与分析

5．1 杂质在晶体生长过程中的分布情况

5．2 刻槽深度对晶体生长初期杂质传输及分布的影响

5．3 刻槽数量对晶体生长初期杂质传输及分布的影响

5．4 生长速率对生长过程中的杂质传输及分布的影响

5．5 坩埚涂层对晶体生长过程中杂质传输及分布的影响

5．5．1 坩埚涂层厚度对晶体生长中杂质传输的影响

5．5．2 涂层渗透率对晶体生长中杂质传输的影响

5．6 氩气流速对晶体生长过程中杂质传输的影响及分布

5．7 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 全文总结

6．2 工作展望及后续研究

致谢

参考文献

攻读学位期间所发表的论文