铸造多晶硅热流场模拟与实验设备的改进研究

摘要

多晶硅太阳能电池目前仍是市场占有率最高的太阳能电池，太阳能电池发电为降低发电的成本，必须提升多晶硅晶锭的品质并降低生产成本，这也正是科研人员追求的目标。冶金法制备的太阳能级多晶硅具有生产成本低、污染小及周期短的特点，被认为是最能有效的降低多晶硅生产成本的技术之一。但冶金法制备晶锭电池转换效率，杂质含量仍不尽如人意，通过研究铸造多晶硅定向凝固过程的热流场分布情况，改进实验设备，间接改变固液界面形状、热流场形态及杂质分布，达到提高晶锭品质降低生产成本的目的。
　　 本文先对铸造多晶硅定向生长的多物理场系统进行描述，从理论上分析多晶硅生长过程中的定向凝固特性，从晶锭内部晶体的组织特征、生长条件到凝固界面形态，再到工艺参数的影响，得出生长系统的控制方程和边界条件，再采用多物理场耦合有限元分析软件COMSOL Multiphysics模拟定向凝固系统内的热流场，模拟结果结合数学理论工具，显示出硅熔体内流场主要由浮力所造成，随着生长过程的进行流场形态会发生变化。为探索磁场作用下多晶硅定向生长的热流场分布情况，在铸锭炉内增加一套磁场装置，由赫姆霍兹线圈产生均匀的轴向磁场，模拟硅熔体在轴向磁场作用下的晶体生长，模拟结果显示磁场作用下，多晶硅生长过程中温度场更加平整，流场受到洛伦兹力作用流动受到抑制，特别是径向流动受到抑制。同时设计改进了硅熔体自由表面上方的氩气导流装置，模拟导流板的位置参数改变时，硅熔体内氧杂质的浓度场分布情况，通过模拟数据对比，获得最优的导流板设计参数:导流板出口与硅熔体自由表面的距离h为5mm，导流板出口与坩埚侧壁距离d为2.5mm，导流板与氩气导管间的夹角θ=95°，在不增加氩气流量的情况下，使硅熔体内氧杂质含量最低，实现控氧与改善晶锭品质的效能。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 太阳能级硅提纯技术研究概况

1．2．1 冶金法及制备工艺概述

1．2．2 太阳能级多晶硅品质研究概述

1．2．3 定向凝固法生长多晶硅概况

1．3 太阳能级硅定向凝固制备方法简介

1．3．1 浇铸法

1．3．2 布里奇曼法

1．3．3 热交换法

1．3．4 电磁铸造法

1．3．5 定向凝固系统法

1．4 数值模拟在多晶硅生产过程中的应用

1．5 电磁场在硅材料成形中应用的研究概况

1．6 本课题研究的主要目的、意义和内容

1．6．1 研究的目的和意义

1．6．2 研究的主要内容

第二章 铸造多晶硅定向生长过程的多物理场系统

2．1 定向凝固法铸造多晶硅研究

2．1．1 多晶硅生长过程中溶质的分凝

2．1．2 定向凝固基本原理

2．1．3 定向凝固过程传热及工艺参数

2．2 多晶硅的定向凝固特性

2．2．1 太阳能级多晶硅柱状晶的生长条件及组织特征

2．2．2 定向凝固过程中多晶硅的固液界面形态

2．2．3 多晶硅定向凝固过程中的偏析现象

2．3 影响热流场的因素

2．4 铸锭炉物理模型

2．5 多物理场系统描述

2．5．1 热场物理模式

2．5．2 流场物理模式

2．5．3 浓度场物理模式

2．6 边界条件

2．6．1 温度边界条件

2．6．2 流场边界条件

2．6．3 浓度场边界条件

本章小结

第三章 铸造多晶硅热流场模拟研究

3．1 有限元法和软件

3．2 形状函数

3．3 收敛条件

3．4 求解流程

3．4．1 构建物理模型

3．4．2 元素型式、控制方程和材料定义

3．4．3 边界条件

3．4．4 网格划分

3．4．5 求解计算

3．5 模拟结果与分析

3．5．1 无因次参数

3．5．2 多晶硅晶体生长各阶段的热场分析

3．5．3 多晶硅晶体生长各阶段的流场分析

本章小结

第四章 多晶硅实验设备中的轴向磁场和氩气导流装置

4．1 轴向磁场装置

4．1．1 电磁场作用机理分析

4．1．2 电磁场物理模式

4．1．3 物理模型分析

4．1．4 模拟结果与分析

4．2 氩气导流装置

4．2．1 多晶硅生长过程中的气体保护简介

4．2．2 硅中挥发性元素的蒸发理论分析

4．2．3 铸造多晶硅中氧杂质的传输机制

4．2．4 氩气流场分析

4．2．5 模拟结果与分析

本章小结

第五章 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果