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直拉法和定向凝固法晶硅生长热场设计的传热传质数值研究

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直拉法和定向凝固法晶硅生长热场设计的传热传质数值研究

作者：李九龙江苏大学

学位级别：硕士

全球能源、环境、气候变暖等问题日趋严重,太阳光伏发电提供了一种可持续性解决方案。晶硅材料以其低成本、高效率等优势,占据了太阳电池材料的95%以上,主要生长方法为直拉法和定向凝固法。目前直拉法单晶硅几乎占据了整个光伏市场,连... 详细信息

全球能源、环境、气候变暖等问题日趋严重,太阳光伏发电提供了一种可持续性解决方案。晶硅材料以其低成本、高效率等优势,占据了太阳电池材料的95%以上,主要生长方法为直拉法和定向凝固法。目前直拉法单晶硅几乎占据了整个光伏市场,连续直拉法单晶硅也正以其独特优势快速发展,定向凝固法晶硅则迎来了巨大挑战。晶硅生长中炉体的热场结构,决定着温场、流场、固液界面、生长速率、热应力、氧碳杂质浓度等,这些因素直接影响着晶硅的质量、生产效率和成本。因此,本文介绍了直拉法和定向凝固法晶硅生长过程中的传热传质现象,总结了国内外相关研究现状,利用Fluent建立了直拉法单晶硅生长的二维全局传热流动准稳态数值模型与定向凝固法晶硅生长的二维全局传热流动以及氧碳杂质耦合输运非稳态数值模型,并利用COMSOL耦合了晶体热应力的计算。在此基础上,针对直拉法、连续直拉法、定向凝固法晶硅生长热场设计中的传热传质进行了数值研究,旨在为低成本、高质量的晶硅生长提供理论依据与技术指导。研究内容和结论如下:(1)分别选取了水冷夹套与晶体之间的不同距离(15 mm,35 mm,55 mm),数值研究了水冷夹套水平位置对直拉法单晶硅生长中传热流动、固液界面与热应力等的影响。结果表明:在相同条件下,水冷夹套水平位置的改变对硅熔体的影响较弱,但对晶体传热的影响显著。当水冷夹套靠近晶体时,尽管底部晶体的辐射换热受到抑制,但晶体与水冷夹套之间的氩气流速显著增大,使晶体冷却效果增强,固液界面凸度减小,热应力降低。ΔL=15 mm时的晶体生长速率相较于ΔL=35和55 mm时可分别提升27.1%和36.1%。(2)在不同内坩埚窗口高度(100 mm,60 mm,20 mm)下,对连续直拉法单晶硅生长中的传热流动、固液界面以及热应力等进行了数值研究,同时与相同条件下的直拉法单晶硅生长进行了对比。结果表明:由于内坩埚的存在,连续直拉法具有比直拉法更高的晶体生长速率,更低的晶体热应力。随着内坩埚窗口高度降低,热量的阻隔作用加强,晶体生长速率进一步提高,当ΔH=20 mm时,其晶体生长速率相较于单坩埚提升了10%,同时也减小了固液界面凸度与最大热应力。因此,采用较低的窗口高度有利于连续直拉法单晶硅的生长。(3)针对大尺寸G7定向凝固炉内出现的固液界面过凸、热应力较大等问题,从影响辐射换热路径角度出发,提出了一种新型金字塔格栅结构。将采用该方案的改进炉与原始炉中的长晶过程进行了对比。结果表明:当无金字塔格栅时,容易引起硅区域中心过冷和过快的长晶速率,导致固液界面过凸,热应力增大。添加金字塔格栅后,降低了前期过快的长晶速率,改善了中心过冷现象和固液界面形状,使硅锭底部中心和拐角处的最大热应力分别降低了20.22%和16.14%。(4)为了减少定向凝固法晶硅中的氧碳杂质,从控制杂质输运路径角度出发,设计了一种氩气导流系统,并根据正交实验设计,进行了二维全局非稳态数值模拟与优化,同时评估了各因子对氧碳杂质的影响,结果表明:当H=10 mm时,氩气回流受到侧部出流的抑制,可有效抑制CO的生成,且Q越大,效果越显著。当外管出口远离盖板时,杂质去除效果不再明显。Q过大或过小都不利于杂质的减少。经综合评价,确定Q=40 L·min、Q=30 L·min、H=10 mm为氩气导流系统的最佳参数组合。采用优化后的氩气导流系统,可使硅锭中氧碳杂质的平均浓度分别降低7.4%和59.9%。

关键词： (连续)直拉法定向凝固法硅晶体传热传质数值模拟

定向凝固法生长多晶硅中位错密度降低的研究进展

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半导体技术 2021年第12期46卷 946-955页

作者：韩博李进安百俊石星宇徐尊豪宁夏大学宁夏光伏材料重点实验室银川750021

位错可以通过缩短少数载流子寿命而严重限制多晶硅太阳电池的转换效率,随着对高转换效率的追求,研究多晶硅位错的重要性也随之增加。在介绍现有半导体晶体CRSS和HAS位错模型的基础上,归纳了定向凝固法生长多晶硅中应力、晶界、杂质、过... 详细信息

位错可以通过缩短少数载流子寿命而严重限制多晶硅太阳电池的转换效率,随着对高转换效率的追求,研究多晶硅位错的重要性也随之增加。在介绍现有半导体晶体CRSS和HAS位错模型的基础上,归纳了定向凝固法生长多晶硅中应力、晶界、杂质、过冷度对位错形成的影响机制与缺陷腐蚀和原位检测等多种位错表征方法。重点阐述了控制固液界面形貌、籽晶、掺杂、硅锭制备工艺、硅片退火等技术对减少与抑制多晶硅位错的影响。最后,针对位错模型、位错表征以及多晶硅生长过程中位错的抑制和生长后位错密度降低技术进行了展望。

关键词：定向凝固法多晶硅位错制备工艺硅片退火

定向凝固法晶硅热区升级及热质输运的数值研究

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定向凝固法晶硅热区升级及热质输运的数值研究

作者：杨伟江苏大学

学位级别：硕士

晶硅定向凝固技术是太阳能级硅工业化生产的主要技术之一。如今,扩大硅锭尺寸可以有效提高生产效率和降低生产成本,这已成为晶硅生产趋势所向。但尺寸升级会影响硅熔体热流场、热应力场及杂质场等晶硅生长物理场。因此,兼顾硅锭大尺寸... 详细信息

晶硅定向凝固技术是太阳能级硅工业化生产的主要技术之一。如今,扩大硅锭尺寸可以有效提高生产效率和降低生产成本,这已成为晶硅生产趋势所向。但尺寸升级会影响硅熔体热流场、热应力场及杂质场等晶硅生长物理场。因此,兼顾硅锭大尺寸和高质量成为研究和生产中的挑战之一。本文利用数值模拟结合实验的方法,针对GT型G6和ALD型G7两种炉型尺寸升级前后的热质输运变化进行研究,为提升大尺寸晶硅生长质量提供理论指导。主要研究内容及结论如下:(1)根据国内外有关晶硅生长的文献,对晶硅生长机理、传热传质机理、热应力产生机理及晶硅生长中热质输运的研究现状进行详细介绍。这为充分理解和掌握晶硅生长理论以及分析数值模拟结果打下基础。(2)在定向凝固生长原理的基础上,利用Fluent仿真软件建立G6和G7二维全局非稳态传热传质数值模型,其中考虑了导热、对流、辐射和相变等多种传热方式及氧碳杂质的输运。并将G6和G7加热器功率和监测点TC2温度的实验值与模拟值进行对比,完成传热数值模型的可靠性验证。此外,利用Comsol仿真软件完成对G6和G7硅锭热应力模型建立。(3)基于G6和G7传热流动数值模型,研究热区变化前后对硅锭生长参数的影响。结果发现:G7硅熔体的径向温差大于G6,使得G7的硅熔体流动强度大于G6。与G6相比,长晶初期的G7硅锭中心过冷,导致固液界面存在中心过凸的问题且在长晶中后期固液界面存在明显边缘翘曲问题。长晶各阶段G7硅锭的温度梯度大于G6,使晶体生长速率和热应力均增加。此外,对比G6和G7的V/G比值,发现两者的V/G参数均高于临界值,且G7的V/G比值更高,使G7生长的硅锭形成缺陷的可能性更大。(4)基于构建的G6和G7的传热传质输运模型,分析两种炉体中全熔和长晶阶段的氩气和硅熔体中氧碳杂质分布。全熔时期到长晶阶段,熔体自由表面氩气从一对涡胞变成两对涡胞,熔体自由表面上方Si O和CO浓度从单峰值变为双峰值。由于硅熔体流态和流动强度对于其氧碳杂质分布有着重要影响。在长晶阶段,固液界面处硅熔体流动强度弱,容易造成C杂质聚集。此外,发现硅熔体沿固液界面由中心向坩埚侧壁的流动,有利于减少杂质在熔体中心聚集。随着凝固分数不断增加,G6和G7硅熔体的氧杂质平均浓度逐渐下降,碳杂质平均浓度逐渐上升。长晶过程结束时,G6和G7硅锭的氧碳分布从下到上分别呈现:氧浓度逐渐降低,碳浓度逐渐升高。(5)G7炉长晶初期存在固液界面过凸的问题,不利于晶粒垂直生长。通过调整底部热门移动速率来改善此问题,并分析不同底部热门移动速率下G7长晶8小时的固液界面以及硅区域热质输运的变化。研究发现:随着方案一到方案三热门移动速率逐渐降低,硅区域流动结构不变,但固液界面凸度明显改善。方案二到方案三凸度分别降低55%、44%。方案二和方案三分别比方案一硅侧壁热流增加38%和60%,硅底壁热量散失减少18%和27%。方案一到方案三硅锭轴向温度梯度减少,方案二和方案三最大热应力分别降低20%和27%,最小热应力分别降低31%和43%。因优化前后对硅熔体流动影响较小,方案一到方案三的硅区域中O和C杂质的整体分布形式相差不大。优化后的热门移动速率能改善固液界面和硅锭的热流分布,但对杂质输运影响较小。

关键词：晶硅铸锭定向凝固法数值模拟尺寸升级热场设计传热传质

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定向凝固法生长太阳电池用多晶硅的经济分析

太阳能学报 1986年第2期 224-231页

作者：余夕同唐厚舜复旦大学材料科学研究所

本文分析了用定向凝固法生长太阳电池用多晶硅的优点,与复拉单晶相比,其成本可下降4％以上,最多可降低20％。

关键词：多晶硅锭成本硅材料财政管理定向凝固法太阳电池经济

磁场控制定向凝固法多晶硅传热传质数值模拟研究

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磁场控制定向凝固法多晶硅传热传质数值模拟研究

作者：牛文清江苏大学

学位级别：硕士

多晶硅太阳电池在目前光伏市场占据重要地位。定向凝固法(DSS法)是生长太阳能级多晶硅的主要方法。在多晶硅生长过程中,仍存在熔体流动、杂质传输、固液界面形状和结构及缺陷等诸多问题,直接影响太阳电池的成本和光电转换效率。外加磁... 详细信息

多晶硅太阳电池在目前光伏市场占据重要地位。定向凝固法(DSS法)是生长太阳能级多晶硅的主要方法。在多晶硅生长过程中,仍存在熔体流动、杂质传输、固液界面形状和结构及缺陷等诸多问题,直接影响太阳电池的成本和光电转换效率。外加磁场可对熔体流动和杂质传输进行精确控制,具有极大研究价值。本文主要针对磁场对DSS法多晶硅生长中的热质输运现象的影响进行研究和优化。具体研究内容和结论如下:(1)综述了数值模拟DSS法多晶硅中熔体流动问题的研究现状。详细介绍了晶体生长中已得到应用的不同磁场类型及原理,并对近年来磁场在晶硅生长中的应用研究进展进行了综述。(2)根据已验证G5铸锭炉,建立二维轴对称全局传热传质数值模型。考虑到实际生产中铸锭炉内部分部件的非轴对称结构以及尺寸增大对熔体传热流动的重要影响,针对工业G6铸锭炉建立三维1/8轴对称数值模型。并根据传热传质方程,电磁场相关理论和方程建立传热传质数值模型和电磁场耦合模型。(3)研究无磁场时铸锭炉中熔体内的传热流动规律。分析了氩气流速和马兰戈尼对流对熔体内传热流动的影响。研究发现:随着氩气流速越大,熔体自由表面附近流速增大,上下涡胞差异性减小;马兰戈尼对流对熔体自由表面附近流速促进作用明显,但熔体流动形式仍由浮力对流主导。针对不同长晶阶段熔体传热流动的研究,发现全熔和长晶初期固液界面附近流速过大,可能导致界面不稳定性并使更多杂质进入熔体中;长晶中后期,熔体流速过小,不利于杂质均匀传输。(4)仅针对全熔和长晶初期熔体流速过大的问题,加入不同强度轴向磁场对熔体传热流动规律进行研究。研究表明:二维模拟中,熔体流速在磁场强度增大至0.05 T后抑制明显,由两个涡胞变为一个涡胞,坩埚底部传热量降低,固液界面略微上升;三维模拟中,当磁场强度大于0.05 T后,不仅流速明显受到抑制,且流动形式变化较大,水平方向速度受到抑制后分叉为数个分支,杂乱无章流向各个方向,对流涡胞由无磁场作用时的水平方向流动演变为竖直方向。(5)考虑到整个多晶硅生长过程中搅拌熔体可迅速将杂质带离固液界面和使掺杂杂质均匀化等优点,研究了不同交变磁场方向、区域、频率和时间阶段对熔体内洛伦兹力和传热流动的影响。发现y方向激励交变磁场时,洛伦兹力垂直于坩埚侧壁,对熔体的搅拌效率最高;50 Hz交变磁场相较500 Hz时趋肤深度更大,对熔体作用范围更大,对熔体进行更好搅拌的同时,而对熔体中温场分布影响较小;磁场作用时间的增加会使熔体中特定区域内的流速不断得到加强。

关键词：定向凝固法多晶硅太阳电池磁场熔体流动多场耦合

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定向凝固法提纯冶金级硅

定向凝固法提纯冶金级硅

第七届中国功能材料及其应用学术会议

作者：林涛王博刘玉胡玉燕卢东亮孙艳辉陈红雨华南师范大学化学与环境学院广东高校储能与动力电池产学研结合示范基地电化学储能材料与技术教育部工程研究中心

采用定向凝固法提纯冶金级硅,探讨了定向凝固的3个工艺参数对金属杂质去除效果的影响。实验表明铸锭中有柱状晶生成,金属杂质在中心位置分布最多,要多次定向凝固才能有效除杂。通过正交试验发现,冷却水流量即温度梯度变化速率对除杂起... 详细信息

采用定向凝固法提纯冶金级硅,探讨了定向凝固的3个工艺参数对金属杂质去除效果的影响。实验表明铸锭中有柱状晶生成,金属杂质在中心位置分布最多,要多次定向凝固才能有效除杂。通过正交试验发现,冷却水流量即温度梯度变化速率对除杂起主要作用。

关键词：冶金级硅定向凝固法提纯

来源： cnki会议评论

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Te自助熔剂定向凝固法生长CdTe晶体

应用技术学报 2020年第3期20卷 205-210页

作者：金敏胡皓阳刘柱徐静涛江浩川蒋俊中国科学院宁波材料技术与工程研究所浙江宁波315201 上海电机学院材料学院上海201306

碲化镉(CdTe)晶体是一种制造室温X射线和γ射线探测器最为理想的半导体材料,在医学、食品、安检、核废料监测等应用领域前景广阔。采用一种Te自助溶剂定向凝固技术生长CdTe晶体,在区熔温场及坩埚旋转系统的综合作用下,获得了平坦状的理... 详细信息

碲化镉(CdTe)晶体是一种制造室温X射线和γ射线探测器最为理想的半导体材料,在医学、食品、安检、核废料监测等应用领域前景广阔。采用一种Te自助溶剂定向凝固技术生长CdTe晶体,在区熔温场及坩埚旋转系统的综合作用下,获得了平坦状的理想固液界面形貌。生长25 mm的CdTe晶体横截面单晶区域面积可达70%,从56 mm的CdTe晶体中可截取尺寸达15 mm×15 mm×3 mm的单晶,电学测试表明CdTe晶体在未掺杂改性条件下电阻率达108Ω·cm。红外透射显示,CdTe晶体中包含尺寸范围为1~20μm的Te夹杂,这是CdTe单晶生长过程中出现的主要微观缺陷。该工作取得的相关成果对未来CdTe晶体生长技术发展具有一定参考价值和借鉴意义。

关键词： CdTe晶体 Te自助溶剂定向凝固法固液界面

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复合定向凝固法制备多晶硅铸锭

功能材料 2009年第7期40卷 1146-1150页

作者：张剑马晓东罗大伟刘德华刘宁李廷举大连理工大学材料科学与工程学院辽宁大连116024

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... 详细信息

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。

关键词：多晶硅定向凝固法提纯

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定向凝固法制备太阳能级多晶硅的研究综述

定向凝固法制备太阳能级多晶硅的研究综述