多晶硅定向凝固温度场模拟的研究进展

对多晶硅太阳能电池而言,决定其光电转化效率的铸锭晶粒尺寸、晶体缺陷、内应力及杂质的形成与分布等与定向凝固过程的温度场密切相关。因此,为提高多晶硅锭质量必须控制和优化定向凝固过程的温度场。运用数值模拟技术对多晶硅定向凝固温度场进行分析,已被国内外学者广泛应用,获得了有参考价值的模拟结果。结合自身工作,综合分析了多晶硅铸锭缺陷与温度场的关系,总结了多晶硅定向凝固数值模拟中,热导率、加热功率、氩气流动状态、外加磁场及定向凝固系统结构等对温度场的影响,可为多晶硅铸锭的制备及质量改进提供参考。     

复合定向凝固法制备多晶硅铸锭

采用复合定向凝固法制备多晶硅铸锭,在精炼和定向凝固过程中施加电磁场控制柱状晶生长过程.实验制得平行于铸锭中心轴的柱状晶,直径约为1mm,铸锭表面质量良好.分析表明金属杂质并未在晶界处发生聚集;且沿铸锭轴向分布也有明显改善,增加了铸锭的有效提纯长度.并通过理论计算探讨了晶体生长速度和定向凝固次数对杂质去除效果的影响.     

定向凝固法多晶硅杂质控制数值模拟概述

在传统能源日渐消耗及可再生能源开发利用日趋受到重视的形势下,太阳能光伏发电逐渐成为最具潜力的可再生能源技术之一。多晶硅凭借高效率、低成本的优势成为最主要的光伏材料,其铸锭的品质和成本将直接影响太阳能电池的成本和光电转换效率。定向凝固法是制备多晶硅铸锭的重要方法,该方法晶硅生长过程中存在很多问题,包括熔体流动、杂质传输、固液界面的形状和结构以及缺陷。定向凝固过程中引入的有害杂质严重影响晶硅的机械和电学性能,是限制多晶硅光电转换效率的关键因素。长晶过程中定向凝固炉处于高温环境中,内部的传热传质极其复杂,不具备单一的线性关系和可推断性,且难于进行实验测量,因而数值模拟是研究定向凝固过程中传热传质现象的重要方式。降低长晶过程中杂质的含量可从两方面入手:(1)杂质的来源——原材料本身所携带的杂质和长晶过程中生成的杂质;(2)杂质的输运——找到杂质在熔体和氩气中的输运规律,并利用该规律控制杂质的分凝与输运。近年来,从控制杂质产生和输运的角度考虑,国内外对降低多晶硅中有害杂质的研究主要采用以下手段:(1)控制杂质产生,包括减缓坩埚与挡板之间的化学反应、优化顶部坩埚盖板、增设碳化硅涂层等;(2)优化氩气流动,例如使用导流系统、调整炉膛压力和氩气流量;(3)优化熔体对流形式,包括控制熔体流动方式及分凝、调整加热器功率大小及其排布、采用可旋转坩埚和调整石墨碳毡位置等。为进一步降低定向凝固法多晶硅铸锭成本,坩埚尺寸和投料量不断增大,熔体对流、杂质输运和界面形状也更加难于控制,外加磁场则成为控制熔体对流的一种强有力工具,并能进一步控制杂质输运。目前利用外加磁场控制定向凝固法多晶硅杂质的研究仍刚刚起步,具有很大的研究价值,其中电磁场(EMF)和行波磁场(TMF)在控制搅拌熔体对流方面具有巨大潜力,逐渐被用于多晶硅长晶过程。本文在深入分析杂质来源和输运机理的基础上,综述了国内外对多晶硅定向凝固过程中有害杂质的产生、分布、输运以及排出等问题的研究现状,总结了数值模拟中氩气导流系统、加热器以及外加磁场等因素对杂质的影响。     

铸造多晶硅的制备与研究

当今多晶硅已成为最主要的光伏材料,利用定向凝固工艺生产铸造多晶硅铸锭已成为业界广为采用的方法,但目前利用定向凝固工艺生产出来的多晶硅铸锭仍存在较多的缺陷,例如材料利用率低以及组织不均匀等问题.为了进一步优化铸造工艺,采用自行设计的真空电磁感应熔炼炉及定向凝固炉进行了多晶硅定向凝固实验.重点对比研究了石英坩埚和石英陶瓷坩...     

磁场在晶体生长中的应用

针对磁场在晶体生长中的应用,综述了近年来该领域数值模拟和实验研究的进展,包括静态磁场和动态磁场的产生原理及其在晶体生长中的效应。分析了晶体生长过程中存在的主要流动。综述了晶体生长过程中磁场力对导电熔体对流、固液界面形貌和杂质分布的影响,重点分析了磁场在直拉法单晶硅和定向凝固法多晶硅生长过程中的应用,总结了该领域当前存在的问题及其发展趋势。     

太阳能多晶硅锭定向凝固技术进展

当前多晶硅已成为最主要的光伏材料.多晶硅锭定向凝固生产技术主要包括浇注法、热交换法(HEM)、定向凝固系统法(DSS)和电磁铸锭法;研究发展主要集中在增大硅锭尺寸和提高生长速率,以及一些热场和工艺上的改进尝试.多晶硅锭生长过程及其控制的复杂性以及硅原料的昂贵使得计算机模拟方法的优势突显,在国外得到了积极的研究应用,取得了很有技术参考价值的模拟研究结果.     

多晶硅铸锭新工艺的研究

多晶硅定向凝固铸锭技术是多晶硅太阳能电池生产的关键技术之一。本文提出多晶硅铸锭新技术-（SRS）法,与传统工艺相比,SRS工艺提纯效果更明显,硅锭中间部分杂质含量更低,硅锭的少子寿命和电阻率更高且分布均匀,大大提高了硅料从硅锭到硅片的利用率。     

多晶硅真空电磁感应熔炼除磷及其过程研制

磷是多晶硅中的主要杂质元素之一,目前采用的酸洗以及定向凝固工艺无法将其含量降低到太阳能级多晶硅所要求的范围之内。采用自行设计的真空电磁感应熔炼炉及定向凝固炉研究了真空度、精炼时间和精炼温度对除磷效果的影响。研究结果表明当炉内压强为5.0×10-1 Pa时,精炼温度和时间分别为1723K和60min时,精炼后硅中磷含量由原来的2.0×10-5（质量分数）降低到1.8×10-6（质量分数）;研究推导出了在压强为5×10-1Pa下磷的含量随精炼时间和精炼温度的关系式如下：XP=X0Pexp[（-1.43×10-4-3.1×10-7T）t]同时还对真空感应熔炼除磷过程进行了热力学与动力学分析。     

多晶硅冶金法除磷的研究进展

磷是多晶硅中的一种主要杂质元素,目前国内外采用冶金法除磷的工艺主要包括酸洗除磷、合金定向凝固除磷和真空除磷工艺.其中,酸洗除磷工艺可以很有效地去除磷杂质,但仍未达到太阳能级多晶硅小于0.1×10-4%(质量分数)的要求.采用合金定向凝固工艺可以去除80%以上的磷杂质,但目前对凝固后硅中残留溶剂金属的去除方法还有待进一步的研究.通过真空感应熔炼实验已将磷含量从15×10-4%(质量分数)降低至0.8×10-5%(质量分数),并对除磷的热力学条件进行了初步探索.     

多晶硅真空定向凝固系统的仿真优化与实验研究

采用模拟和实验相结合的方法,研究了真空定向凝固系统中炉内底部保温层结构对多晶硅温度场及凝固过程中固-液界面的影响,对比了底部保温层为开口、半封闭与全封闭3种情况下的温度分布及凝固情况。模拟的结果表明,在底部保温层全封闭时,热区的辐射加热效果加强,同时也增加了冷区的散热效果,使坩埚中的硅料温度梯度增大。在此基础上,建立了不需要进行坩埚底部水冷换热的凝固系统,并进行了实验。实验结果与理论分析基本一致,说明可以通过调节炉内装置来优化多晶硅的真空定向凝固系统,对该系统的设计和优化起到指导与参考作用。     

狭缝宽度及坩埚半径对分离结晶法制备CdZnTe晶体的影响

借助有限元法,在常重力条件下对分离结晶过程进行全局数值模拟,研究了狭缝宽度及坩埚半径对CdZnTe晶体生长过程中整体传热与流动特性的影响。模拟结果表明系统内传热特性、熔体流型与狭缝宽度及坩埚半径密切相关:(1)狭缝宽度对分离结晶有决定性的作用,当狭缝宽度较小时,气-液弯界面两端的温差很小,导致增大晶体重新粘附于坩埚壁面的风险;随着狭缝宽度的增大,流动不稳定性增加,很难保持稳定的气-液弯界面形状,增加了实现晶体稳定生长的难度;(2)随着坩埚半径增大,Marangoni对流对熔体流动影响逐渐增大,结晶界面附近的熔体流动不稳定性增加,这不利于晶体的稳定生长。     

电子束真空精炼直接定向凝固制备高纯铜的研究

以电子束真空熔炼直接定向凝固技术制备5N高纯铜大铸锭为研究目标,利用电子束熔炼原材料,熔体直接定向凝固后得到高纯铜铸锭.采用GDMS-VG9000辉光放电质谱仪和TCH600氧氢分析仪研究了金属杂质及氧氢元素的去除效果,通过EPMA-1600电子探针研究了提纯后元素的分布情况.结果表明:真空电子束熔炼直接定向凝固技术可将原料为4N(99.9988711％)的电解阴极铜板,制备出纯度5N(99.9997235％)、Φ59 mm大尺寸高纯铜铸锭,杂质元素总量降低了75.506％,中间凝固组织为单晶;五种含量较高的元素Ag、Cu、O、P和S均匀分布,没有出现杂质的偏聚现象;与原材料相比,0、H元素分别降低了86.47％,85.00％.研究表明真空电子束精炼直接定向凝固技术能够制备氧氢含量较低的5N大尺寸高纯铜铸锭.     

多晶硅定向凝固过程中固-液界面特性研究

通过真空感应熔炼炉以不同拉锭速率制备了多晶硅铸锭,通过对铸锭的金相组织及少子寿命随凝固高度的变化及径向分布的分析,研究了多晶硅定向凝固过程中的固-液界面特性。结果表明:少子寿命随生长高度的增加先增加后减少,其径向分布与固-液界面相对应。由少子寿命分布图可以看出,固-液界面的曲率随拉锭速率的减小而减小,固-液界面形貌为胞状界面。计算分析表明,胞状的固-液界面造成Fe杂质的有效分凝系数增加了3个量级以上。     

冶金法提纯工业硅的研究

以冶金级硅为原料进行了制备高纯多晶硅锭的研究,自行设计了真空感应熔炼与定向凝固设备、电子束熔炼设备.通过酸洗、真空感应熔炼与第一次定向凝固、电子束熔炼、真空感应熔炼与第二次定向凝固等组合步骤对工业硅进行提纯.利用电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-AES)进行成分分析,实验结果表明,定向凝固有效去除了金属杂质,电子束对蒸汽压高的元素,尤其是磷元素的去除作用明显.Al的浓度降低到了0.4×10~(-6),Fe、Ca、Ti、Mn、Cu、Zn等金属杂质的浓度降到了0.1×10~(-6)以下,P含量降低到1.5×10~(-6).     

定向凝固结合电子束制备高纯铜的研究

对定向凝固结合电子束制备5N高纯铜进行了研究。首先采用真空感应熔炼4N(99.99%)阴极铜并进行定向凝固实验,然后利用电子束对定向凝固后的铸锭进行重熔精炼,利用辉光放电质谱仪进行成分分析。实验结果表明:真空熔炼可以有效去除铜中饱和蒸气压高的杂质;通过定向凝固,杂质元素含量沿铸锭轴向逐渐升高;经过组合工艺提纯后,总杂质含量由13.6×10-6降低至4.0×10-6,铜的纯度提高至99.9996%。     

籽晶边长对SAPMAC法蓝宝石晶体放肩阶段生长质量的影响

温度场的控制是蓝宝石生长过程关键技术问题。采用有限元方法研究了冷心放肩微量提拉法蓝宝石单晶生长过程中籽晶的边长对晶体生长放肩阶段温度场内温度分布、流场分布和晶体的等效应力分布的影响。结果表明:当籽晶边长为24mm时,放肩阶段熔体的轴径向温度变化平缓,温度场内温度分布均匀,熔体的流动和晶体的热应力均适合晶体的生长。     

真空自耗电弧重熔凝固过程的计算机模拟

真空电弧重熔(Vacuum Arc Remelting,VAR)工艺参数显著影响铸锭质量,采用计算机模拟技术可以有效预测各种工艺参数对铸锭凝固过程的影响.本工作介绍了国外对VAR工艺中计算机模拟熔池形状、流场、温度场及铸锭微观组织演化的最新进展.其模拟结果和实验值具有较高的吻合度.     

真空感应熔炼和定向凝固制备多晶硅中铝的除杂

用真空感应熔炼和定向凝固法制备多晶硅,通过成分测定和理论计算研究了铝杂质的除杂机理。结果表明,在真空熔炼保温阶段(T≥1723 K),硅中的铝杂质明显蒸发;在随后的定向凝固过程中,铝杂质的分凝偏析是主要的,但仍有部分铝蒸发。建立了一个包括铝分凝和蒸发机制的新模型,模拟铝在硅中的分布曲线。模拟结果与铝在硅中的实际分布符合得很好。     

φ300mm的大直径直拉单晶硅勾形磁场下生长的数值模拟

直径300mm硅片的生产技术是当今硅材料生产研究的重要方向之一,而晶体生长 界面的形状、温度分布、晶体中氧的浓度和均匀性等对熔体流动状态十分敏感,采用实验的方 法来测量熔体的流动、温度场分布是很困难的,因此很难通过实验的方法获得熔体的流动是如 何影响晶体生长的质量的,而数值模拟能提供熔体流动、温度分布等详细内容,为单晶硅的生 长提供有利的指导.本文采用低雷诺数的K-ε紊流模型,对直径300mm的大直径单晶硅生 长进行了数值模拟,通过熔体在有、无勾形磁场作用时的流场、温度场的分析,阐明了勾形磁 场影响熔体流动的机理.     

多晶硅锭定向凝固过程的温度场模拟

采用数值模拟方法研究了不同的工艺条件对多晶硅锭定向凝固过程中固液界面形状和温度梯度的影响,为优化多晶硅凝固过程的参数和有效控制定向凝固过程提供了参考依据。模拟结果表明,降埚速率越大,晶体生长速率越快,硅锭内温度梯度也随之增加,当降埚速率小于60mm/h时,固液界面始终保持凹界面;保持一定的降埚速率和冷源温度不变,改变多晶硅锭的冷却速率,坩埚内固液界面的形状基本保持不变,但冷却速率对晶锭内温度梯度的影响较明显,冷却速率越大晶锭内温度梯度越大。