μ-PD法蓝宝石纤维晶体生长中传热传质的数值模拟

在μ-PD法纤维蓝宝石单晶生长中,利用Comsol软件数值分析了陶瓷管开裂现象、熔体对流和磁场分布.结果表明,试验中陶瓷管保温层总是在距底部0.03 m处断裂,数值模拟发现该处为温度和Von Mises应力最高点位置,验证了数值模拟的准确性;适当增大陶瓷管保温层厚度有利于降低陶瓷管温度,从而降低其开裂概率;熔体对流中Marangoni对流占主导,浮力对流可忽略;磁场分布能够满足μ-PD法蓝宝石晶体生长需求,“趋肤效应”使最高温度位于铱坩埚最上端.     

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.     

多晶硅铸锭生长过程热应力与位错的数值模拟研究

通过对定向凝固多晶硅从凝固过程开始到冷却过程结束进行瞬态数值模拟,研究了多晶硅锭不同生长阶段的温场、热应力及位错密度的关系.模拟结果表明:在长晶及冷却过程中,位错因热应力的存在而发生运动和增殖,晶体内温度梯度是影响晶体位错密度的关键因素.高位错密度区域分布在硅锭顶部、中心部以及周边外缘.硅锭上表面由中心向外缘递减的高位错密度是由于杂质在固液界面前沿富集导致.其中最大位错密度约为2.4×104 cm-2,发生在硅锭中轴顶部;局部最大位错密度约为2.2×104 cm-2,发生在硅锭边缘底角.     

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.     

单晶炉导流筒、热屏及炭毡对单晶硅生长影响的优化模拟

在CZ法生长太阳能级单晶硅中,单晶炉的导流筒、热屏和炭毡对晶体生长有很大影响.通过对上述三个部件进行改进优化,并通过数值模拟对优化前后晶体和熔体的热场、热屏外表面与石英坩埚内壁面之间的氩气流场以及晶体中的热应力进行分析,得出以下结论:石墨导流筒的引入减少了炉体上部的氩气流动涡胞,进而减少了SiO在单晶炉上部的沉积;优化后的热屏减少了加热器对晶体的烘烤,使结晶速率加快;优化后的侧壁炭毡阻止了加热器向上部的热损失.优化后在加热器功耗不变时,结晶速率至少可提高35;,而不增加宏观位错的发生概率.     

多晶硅炉氩气导流系统设计与数值模拟优化

在DSS法多晶硅生长中,为了降低氧碳含量,作者利用CGSim软件,分析了三种传统氩气导流系统的优缺点,以此为基础设计了一种中心和侧面双排气的新型导流系统,并对其进行了设计和数值模拟优化.模拟得出以下结论:多晶铸锭炉三种传统氩气导流系统中,石墨坩埚上部开大孔且有盖板时,有利于控制氧碳含量和固/液界面;新型多晶铸锭炉氩气导流系统中,中心氩气进口管伸入上盖板时,有利于降低多晶硅的氧碳含量;随着石墨坩埚上部开口高度h逐渐增大,中心出口氩气流速逐渐减小,侧面出口氩气流速增大,当h=20 mm时,有利于降低多晶硅的氧碳含量.研究结果为生长高质量的多晶硅提供了理论依据.     

大晶粒多晶硅铸锭生长的热场设计与模拟

为了生长大晶粒的多晶硅铸锭,晶体从形核到后续生长的热场环境控制至关重要.本文首先在侧加热器与散热块之间加一可移动的隔热环.通过向上移动隔热环,并在底部喷射氩气冷却,对生长工艺进行优化控制.然后利用数值模拟,对改进后的生长界面形状、晶体和熔体中的等温线、晶体和熔体的轴向温度分布以及冷却量对生长环境的影响进行分析.模拟结果表明:冷却速率的最佳值在5 ～ 15 W/m2之间,且优化后的晶体和熔体中等温线更平坦,晶体轴向温度梯度增大约1.72 K/cm,从而可有效地避免侧壁形核,促进大晶粒的生长,同时提高了生长速率.     

热交换法蓝宝石晶体生长的数值模拟研究

针对热交换法蓝宝石晶体各生长阶段的温场、流场和热应力进行数值模拟研究,并讨论了上部保温层结构、热交换器内管高度对晶体生长的影响.结果表明:长晶初期,固液界面呈椭球形;等径阶段,固液界面平坦,晶体与坩埚壁不接触;长晶后期,中心轴向晶体生长速率增加,晶体中心首先冒出熔体液面.随晶体高度增加,熔体对流由初期的两个涡胞变为等径阶段的一个涡胞,最大对流速度量级为10-3 m/s.晶体中最大热应力分布在晶体底部,热应力分布呈W型.增加炉体上部保温层,长晶后期固液界面变得平坦;降低热交换器内管高度,有利于降低晶体底部热应力.     

石英坩埚表面涂层对铸造多晶硅生长中杂质传输的影响

铸锭中过高的杂质浓度是影响铸造多晶硅太阳电池效率的主要因素之一.本文通过数值模拟的手段研究了不同的表面涂层厚度和涂层渗透率对生长过程中O,C杂质的影响,研究表明涂层厚度能够很明显的降低晶体中O,C的含量.同时涂层的渗透系数越小,O,C杂质在晶体中的分布含量越低.