微重力条件下Marangoni数对分离结晶过程的影响

为了了解微重力条件下新型分离结晶生长过程中熔体热毛细对流的基本特征,利用有限差分法进行了三维数值模拟.当熔体顶部分别为自由表面及固壁边界条件时,得到了新型分离结晶Bridgrnan生长过程中熔体热毛细对流的速度分布和温度分布.结果表明:熔体顶部为自由表面时,当Marangoni数较小时,在上自由表面和下部狭缝处自由表面的表面张力的驱动下,熔体内部产生了逆时针和顺时针两个流动方向相反的流胞,此时熔体内的流动状态为稳态;随着Marangoni数进一步的增大,流胞的流动逐渐增强并逐步向熔体内部扩展,熔体内部温度分布非线性增强,上自由表面和下部狭缝处自由表面处速度增大;当Marangoni数超过某一临界值后,流动转化为非稳态流动.当熔体顶部为固壁时,与熔体顶部为自由表面时相比,临界Marangoni数增大.流动失稳的物理机制是流速的变化和阻力的变化之间存在滞后.     

旋转磁场对空间浮区内流场及浓度场的影响

采用全浮区模型数值研究了旋转磁场作用下熔区内热毛细对流流动特性,分析了磁场强度对流场及浓度场的影响.研究发现,无磁场时,熔体内杂质浓度场和流场呈现三涡胞对称振荡特征;温度场主要由扩散作用决定,呈对称分布.旋转磁场作用下,Ma数基本保持不变.当磁场强度B0≤1 mT时,熔体内杂质浓度场和流场与无磁场时结构类似,但旋转磁场的搅拌作用使得熔体内周期性振荡提前出现,且当旋转磁场产生的洛伦兹力相对较大时,表面张力产生的三维振荡对流得到很好地抑制.B0=5 mT时,周向波动被完全抑制,熔区内流场和浓度场呈二维轴对称分布.旋转磁场对熔体流动产生的轴向抑制作用和周向搅拌作用,都有助于熔体流动的稳定性、浓度分布以及温度分布的均匀性,从而有利于高质量晶体的生长.     

数值模拟自然对流对直拉单晶硅的影响

在直拉单晶硅生长的过程中,自然对流对晶体界面的形状、温度场及应力分布影响很大。本文采用二维模型对熔体内自然对流对单晶硅的影响作了数值模拟,在低雷诺数时采用层流模型,高雷诺数时采用紊流模型,Gr的变化范围从3×106到3×1010,这样涵盖了从小尺寸到大尺寸的直拉单晶硅生长系统。数值结果表明熔体的流动状态不仅与熔体的Gr有关,还与熔体高度和坩埚半径的比值密切相关。当Gr>108时,熔体内确实存在紊流现象,层流模型不再适合,随着Gr的增大,紊流现象加剧,轴心处的等温线变得更为陡峭,不利于晶体生长。     

不同驱动力对Cz硅生长中熔体对流影响的数值模拟研究

为了确定Cz单晶硅生长各种驱动力对熔体对流及固/液界面形状的影响,利用CGSim软件,对典型的Cz单晶硅生长中的熔体对流进行数值模拟.研究了重力、表面张力、平流力、晶转、埚转和氩气剪切力等各种驱动力的大小对熔体对流涡胞、涡胞强度、界面形状、温度分布的影响.结果表明:各种驱动力对熔体对流的影响大小依次为:浮力＞表面张力＞晶转力＞氩气剪切力＞埚转力＞平流力;浮力和表面张力使熔体产生一沿坩埚壁上升、从固/液界面附近下降的涡胞,晶转力和氩气剪切力使熔体产生与前面反方向的涡胞,而埚转力产生多个不同流向的对流涡胞,使熔体混合更加均匀,熔体凝固引起的平流力对熔体对流影响不大;增大埚转,熔体中涡胞数量更多、对流换热更充分、温度梯度更小、熔体内的最高温度更低,有利于减少石英坩埚氧的熔解,但界面更向下凹;增大晶转,熔体内的最高温度无明显变化;固定埚转Ωc=-10 r/min,晶转存在一临界值Ωs(C)=60～ 80 r/min,当Ωs＜Ωs(C)时,增大晶转,固/液界面更向上凹,当Ωs＞Ωs(C)时,增大晶转,固/液界面更向下凹.     

微重力下静态磁场对浮区法硅单晶生长的影响

考虑晶体生长界面的变形,利用有限体积方法对侧面加热的空间全浮区法硅单晶生长中熔区内的热质传输、流场及晶体生长界面位置和形态特征进行了数值研究.应用不同中等强度的轴向磁场和勾型磁场对硅熔体内的热毛细对流进行抑制.分析了静态磁场不同强度下熔区中的对流模式,研究表明,轴向和勾型磁场均能有效抑制熔体内的对流,并将热毛细对流挤压到自由表面附近.轴向磁场可有效抑制熔体的径向流动,但难以有效抑制轴向对流;勾型磁场则可以达到更好的控制熔体对流的效果.对不同强度下的固液面形态及位置分析发现:轴向磁场下固液面基本和无磁场时的重合,但磁场强度较小时固液面在自由表面边缘处向单晶侧有个凸起;勾型磁场作用下的固液面比较平滑,其中心区域较无磁场时整体向z轴正向偏移.研究结果可对浮区法晶体生长中获得高质量晶体提供帮助.     

不同磁场对大直径单晶硅生长中的动量与热量输运影响的数值分析

本文采用紊流模型对大直径单晶硅在垂直磁场及勾形磁场作用时熔体内动量及热量输运作了数值模拟.采用有限体积法离散控制方程,采用SIMPLE((Semi-implicit Method for Pressure Linked Equations)算法耦合压力和速度场.对无磁场、垂直磁场及勾形磁场作用下熔体内的传输特性进行了比较.数值计算结果表明,垂直磁场对动量及热量的分布具有双重效应.垂直磁场强度过大,不利于晶体生长.随着勾形磁场强度的增加,熔体内子午面上的流动减弱,并且紊流强度也相应降低.     

泡生法蓝宝石单晶不同生长阶段的数值模拟研究

针对泡生法蓝宝石单晶生长的不同生长阶段的温场、流场和固液界面形状进行数值模拟研究.并分析了加热器相对坩埚的轴向位置和不同生长速率对蓝宝石单晶生长的影响.结果表明:在蓝宝石单晶生长中,在靠近坩埚壁面和固液界面的熔体内,等温线密,温度梯度较大;在靠近坩埚底部的熔体内,等温线稀疏,温度梯度较小.随着晶体高度的增加,熔体对流由放肩阶段的两个涡胞变成等径阶段的一个涡胞,熔体平均温度有小幅度下降;加热器相对坩埚的轴向位置对晶体生长炉内温场和固液界面形状影响很大,随着加热器位置上移,晶体内平均温度升高,温度梯度减小;熔体内平均温度降低,温度梯度增大.同时固液界面凸度增大.随着晶体生长速率增大,固液界面凸度增大,界面更加凸向熔体.     

水平磁场下硅熔体的有效粘度

用钕铁硼(NdFeB)永磁材料构建"魔环"结构的永磁体,向直拉硅生长的熔体所在空间引入磁感应强度,采用回转振荡法测量不同磁场强度下硅熔体的磁粘度(有效粘度).在温度一定时,粘度随着磁场强度的增加而增加,二者呈抛物线关系.熔硅温度升高,磁场影响加剧,抛物线更加陡峭.1510～1590℃温度区间内,粘度有异常变化.     

轴向磁场对环形浅液池内硅熔体热毛细对流的影响

为了更好地了解轴向磁场对温度梯度作用下Marangoni-热毛细对流的影响,采用有限差分法对环形浅液池内硅熔体制单晶的流动进行了数值模拟.研究了三种不同边界条件下,Ha数分别为0、10、20、30对应下硅熔体内部流动强度和自由表面速度.结果表明,轴向磁场对浅液池内的Marangoni对流、热毛细对流和耦合的Marangoni-热毛细对流都有较好的抑制作用,且随着磁场强度的增强,抑制作用增加,更有利于提高晶体的结晶质量.当磁场强度和底部热流密度一定时,随着水平温度梯度的增加,靠近内壁的流动得到增强,外壁附近流动反而减弱.     

勾形磁场下提拉法生产单晶硅的数值模拟

本文给出了提拉单晶硅时,勾形磁场强度的计算公式,并对单晶硅在有无勾形磁场情况下熔体内流场和氧的浓度分布进行了数值模拟,计算出磁场作用下磁场强度和洛伦兹力及有无磁场时流函数、垂直截面处的速度场和氧的浓度分布.通过分析表明,勾形磁场能使流动更为平稳,能有效地降低熔体内及生长界面氧的浓度,并对产生这一现象的机理作了理论分析.     

氮化硅掩膜法制备选择性发射极晶体硅太阳电池

本文采用等离子增强化学气相沉积的方法在硅片表面镀一层约80 nm厚的氮化硅掩膜,然后使用传统的丝网印刷工艺将含有一定量磷酸的腐蚀浆料印刷在氮化硅掩膜表面,腐蚀出电极图形,经过三氯氧磷液态源扩散完成重扩,去除氮化硅掩膜后进行浅扩最终实现选择性发射极.丝网印刷腐蚀浆料开窗相对于激光熔融、等离子刻蚀和光刻等方法,具有高的产量、设备投资和运营成本低等优势,容易在现有生产线上实现.最后对比了选择性发射极晶体硅太阳电池和常规太阳电池的电性能和光谱响应,制备的选择性发射极晶体硅太阳电池的短波响应优于常规晶体硅太阳电池,效率提高了0.3;.     

硅片切割废砂浆中去除硅和二氧化硅工艺的研究

本文主要研究用碱洗法去除硅片切割废砂浆中硅和二氧化硅等杂质,以获得高纯度的碳化硅.研究了碱液的种类、碱液的浓度、碱液与总硅的配比、反应时间和反应温度各因素对除硅效果的影响,通过正交实验得出了最优的工艺条件.     

晶硅切割废粉为原料的反应烧结Si3N4结合SiC复相陶瓷的工艺研究

以晶硅切割废料Si粉和SiC为原料,Y2O3-Al2O3-Fe2O3为复合烧结助剂,反应烧结法制备低压铸造升液管用Si3N4/SiC复相陶瓷材料.设计L9(34)正交实验,研究了原料中Si、助剂Al2O3、Y2O3和Fe2O3的含量对陶瓷材料力学性能的影响和优化.采用X射线衍射(XRD)和扫描电镜(SEM)对复合材料的相组成、断口形貌进行分析.结果表明,反应烧结后试样生成Si3N4结合SiC晶粒为主相的烧结体,并含有少量SiALON及未反应的Si.Si含量对力学性能的影响最为显著,通过对正交试验的验证,20wt; Si、3.2wt; Al2O3、0.8wt;Fe2O3和2wt; Y2O3时烧结体抗弯强度最高.     

以硅片线锯屑和石英为原料合成氮氧化硅粉体研究

研究了以回收提纯的太阳电池硅片线锯屑粉与粗粒石英粉为原料直接用N2气体氮化合成氮氧化硅(Si2N2O)的工艺条件,分析原料配比和反应温度对氮氧化合成产物的影响.结果表明,采用这种线锯硅屑粉为原料,可以在1450℃下4h常压纯氮合成条件下得到氮氧化硅产物;当原料摩尔比n(Si)/n(SiO2)=1.5时,所得产物在XRD检测能力范围显示为纯Si2N2O相,不含氮化硅副产物相.从反应相对增重量分析推测,反应体系中可能包含SiO2在高温和低氧分压条件下的转变为Si2N2O的过程.     

Preferred Crystallization of Epitaxially Grown Silicon on Boron-doped Silicon Substrates

The recrystallization of silicon layers on a silicon substrate using X-ray analysis and X-ray topography was examined. A preferred crystallization was observed. The crystallites resulting from this process seem to grow along the dislocations consuming part of the elastic energy of the dislocations.     

多晶Si薄膜表面金催化Si纳米线生长

以Au膜作为催化剂和大晶粒多晶Si薄膜为衬底,利用固-液-固生长机制,制备出直径在30～ 100 nm和长度为几百微米的高密度Si纳米线.实验研究了退火温度、生长时间和N2流量对Si纳米线生长的影响.结果表明,随着退火温度的升高,生长时间的延长和N2流量的增加,Si纳米线的长度和密度都显著增加.对不同生长时间下获得的Si纳米线样品进行了X射线衍射测量,结果显示随着生长时间的延长,多晶Si薄膜和表面的Au膜成分都在减少.光致发光谱则显示出弱的蓝光发射和强的红光发射特性,前者应是由非晶SiOx壳层中的氧空位发光中心引起,后者则应归因于Si纳米线芯部与非晶SiOx壳层之间界面区域附近中的Si =O双键态或非桥键氧缺陷中心.     

新能源硅产业硅片切割废砂浆中碳化硅的浮选工艺研究

以煤油做捕收剂,采用泡沫浮选方法回收硅片切割废砂浆的碳化硅.研究了捕收剂浓度、pH值、固液比及粒度对分离效果的影响.结果表明,当捕收剂用量为50 mL ·g-1、pH值为8.3、固液比为3:400 9·mL-1、粒度为8.636μm时,分离效果最佳,此条件下回收的碳化硅纯度为99.08;.     

氧化硅中纳米晶硅薄膜的低温沉积及其键合特性研究

以Ar和H2为溅射气体,采用Si和SiO2双靶活性溅射技术实现了镶嵌纳米晶硅(nc-Si)的富硅氧化硅(SiOx)薄膜的300℃低温生长,并分析了氢气掺入对薄膜微观结构及键合特性的影响.结果表明,氢气流量比的增加导致纳米硅粒子尺寸增加,而生长速率逐渐减小.薄膜中Si-O键合结构以Si(O4)键为主,随H2流量比的增加,Si-O4-nSin(n=0,1)键密度减小,Si-O4-nSin(n=2,3)和SiH2键密度持续增加,而所对应Si-H键密度呈现先减小后增加趋势,该结果可解释为等离子体内氢原子对反应前驱物中氧的去除效应增强和氢原子与表面氧的解吸附反应几率的增加.     

利用硅片线锯屑合成氮氧化硅粉体研究

以回收提纯硅片线锯屑粉与气相白炭黑为原料,合成出晶须状氮氧化硅粉体.实验研究了原料摩尔配比、保温温度、保温时间等工艺参数对氮氧化合成产物的影响.结果表明,回收提纯硅片线锯屑粉与气相白炭黑摩尔比为2.0:1 ～2.6:1、保温温度为1380℃、保温时间为4h条件下可获得较为纯净的氮氧化硅粉体.产物中同时伴生一种类似于Ol-SiAlON结构的氮氧化硅低温亚稳相(LM Si2N2O),且该亚稳相含量随着原料摩尔配比的降低、温度的升高、时间的延长逐渐降低.所形成的氮氧化硅呈晶须状的原因与白炭黑的气化挥发及随后的氮氧化硅气相沉积生长机制有关.     

多孔硅吸杂对单晶硅片电性能的影响

多孔硅吸杂是减少晶体硅中杂质和缺陷,提高太阳能电池转换效率的有效方法.本文采用电化学腐蚀方法在单晶硅片上制备多孔硅.通过观察多孔硅的形貌、孔隙率、多孔层厚度及单晶硅片的电阻率变化,研究不同的腐蚀时间对制备多孔硅的吸杂效果的影响,并分析多孔硅吸杂的机理.结果表明,在J=100 mA/cm2条件下腐蚀时间为30 min、40 min、50 min、60 min吸杂处理后,电阻率均提高,且随着腐蚀时间的增加,电阻率相应增加,与多孔硅的形貌、孔隙率和多孔层厚度的变化趋势一致.多孔硅形成伴随弹性机械应力出现,随腐蚀时间增加,应力增加,晶格常数相应增加,这都有利于缺陷和金属杂质在多孔硅层-基底界面处迁移和富集,导致单晶硅吸杂后电阻率增大.