定向凝固多晶硅铸锭炉石英坩埚的改进与热场优化

针对定向凝固多晶硅铸锭炉内温场的分布特点,利用COMSOL 5.0模拟软件优化设计了定向凝固多晶硅铸锭炉内部坩埚形状,并对优化后铸锭炉内的温场分布进行了详细分析.结果表明:将坩埚底面由平底结构改进为凸底结构,可优化铸锭坩埚内的温场分布,使长晶界面的等温线趋于水平分布,进而可有效解决中心区域结晶过早、边角区域结晶过慢和边角区热诱导缺陷、杂质密度大等铸锭过程中存在的基本问题.     

多晶硅晶体生长中固-液界面研究进展

论述了多晶硅晶体生长技术的研究现状,探讨了多晶硅在定向凝固过程中的生长机制,重点阐述了多晶硅定向生长中固-液界面的形貌、杂质分布、数学模型、数值模拟以及外场对界面调控的影响,归纳总结目前国内外多晶硅生长界面的研究现状,展望了多晶硅晶体生长过程中固-液界面调控技术的发展前景.     

降温速率对升级冶金硅定向凝固生长多晶硅少子寿命的影响

对经过前期提纯的冶金级硅料进行一次性定向凝固生长多晶硅铸锭,研究了长晶阶段降温速率对多晶硅少子寿命的影响。结果显示降温速率越低,获得多晶硅少子寿命越高,但降温速率低到一定程度时,少子寿命反而会降低。通过测试生长多晶硅硅锭曲率半径、晶体结构等数据,分析了该现象的产生原因。这将有助于升级冶金硅一次性定向凝固生长多晶硅铸锭的生产应用。     

石墨坩埚厚度对感应加热制备太阳能级多晶硅影响的数值模拟研究

定向凝固法制备的多晶硅是目前主要的光伏原材料,制备过程中热场结构和硅熔体对流形态对于生长高质量的多晶硅极为重要,本文利用专业晶体生长软件CGSim对制备太阳能级多晶硅用真空感应铸锭炉中的石墨坩埚进行改进并进行了数值模拟,分析了不同石墨坩埚厚度的变化对热场、流场、固液界面、硅晶体应力场以及和V/G值的影响.结果表明,当石墨坩埚厚度为20 mm,可获得良好的对流形态、平坦的固液界面、合理的V/G值等,有利于节约多晶硅的生产成本并提高多晶硅的品质,为生产实践中工艺方案优化及缺陷分析等提供重要的理论依据.     

非均匀热场条件下多晶硅定向凝固研究

设计一种辐射加热装置环状布置的多晶硅定向凝固设备,通过构建非均匀热场,使硅熔体侧壁区域温度高于中央区域,在熔体密度差的作用力下,液相自然对流强度加剧,使固液界面富集的杂质加速汇聚至熔体表面,提高杂质提纯效率,并在满足工艺要求的同时达到节能目的.进行数学建模和数值模拟研究来阐述该热场的设计原理,并通过试验验证.试验表明,环状加热方式使晶粒生长方向略微外倾,相对于传统加热方式,其能耗更低、并提高了除P、Al效率.     

掺Sn对定向凝固多晶硅位错及少子寿命的影响

通过微合金化获取高性能多晶硅,研究了不同Sn掺入量对定向凝固多晶硅位错及少子寿命的影响.将高纯Sn掺入到精炼冶金级硅(UMG-Si)中,定向凝固多晶硅.研究发现,硅锭位错密度沿轴向分布为中间低,底部和顶部高.在晶体硅中掺入Sn后,不影响硅的电学性能,但明显减少硅锭的位错密度.当掺入Sn含量为20 ppmw、50 ppmw和100 ppmw时,硅锭平均少子寿命由未掺Sn硅锭的0.81μs分别增加至1.22 μs、1.47 μs和1.31μs.掺Sn可减少位错密度和增加少子寿命,归因于替代位的Sn原子引入晶格应力,Sn易捕获空位V形成Sn-V对,抑制间隙原子形核.     

勾形磁场下多晶硅定向凝固模拟与分析

利用基于有限元的软件COMSOL Muhiphysics对多晶硅定向凝固过程进行了一系列二维数值模拟,研究了勾形磁场(CMF)对多晶硅定向凝固过程的影响.模拟分别在线圈电流设为0A、10 A、20A、30 A和40A的情况下进行.结果表明:CMF能有效抑制熔体的对流,特别是对坩埚侧壁附近的熔体.CMF可以影响结晶时的固液界面,使结晶初期凸形结晶界面变得平滑.电流从0A逐渐均匀增加到40A时,施加于熔体上的磁场也逐渐增加,熔体的最高流速逐渐减小,而且最高流速的减小量呈现出先增加后减小的趋势.     

多晶硅铸锭内嵌杂质引发热应力的数值分析

对制造光伏电池用多晶硅锭中的主要硬质夹杂SiC、Si3N4引起的热致应力进行数值分析.首先用晶体生长软件CGsim模拟定向凝固,获得铸锭凝固完成时温度场及夹杂分布,再基于此用有限元分析软件ANSYS分别分析这两种嵌于硅基体内的夹杂在硅基体内引起的热应力.夹杂颗粒模型形状设计依据其实际形状特征.由于SiC与硅均为立方结构,SiC夹杂影响可处理为各向同性;对于六方结构的Si3N4夹杂,通过对弹性矩阵的坐标转换考虑了其力学性能的各项异性.结果表明,多晶硅锭由1685 K降至室温的过程中,夹杂引起的最大热致应力SiC颗粒约为16 MPa,Si3N4颗粒在13 ～21 MPa之间,SiC团簇约为21 MPa,多颗粒在18～21 MPa之间.基于此,计算出多晶硅锭内最小失稳临界裂纹尺寸在286 ～ 676 μm之间,小于夹杂体的尺寸,因此在铸锭冷却过程中夹杂引起的裂纹发生可能性较大.     

保温层结构对感应加热制备太阳能级多晶硅影响的数值模拟研究

定向凝固技术是制备太阳能级多晶硅的主要制备技术.在该技术路线之中,优化多晶铸锭炉的热场结构和控制硅熔体的对流形态是获得高品质多晶硅的有效途径之一.本文设计了三种热场保温层,通过分析不同保温层下坩埚内硅熔体的热场、流场、固液界面、氧含量等的变化,确定了优化的保温层结构.研究发现,在传统固化碳毡保温层中引入石墨层可以使多晶炉内形成两个“热源”,提高多晶炉的热效率,使其能耗降低了38.5;;在洛伦兹力的作用下硅熔体中仅存在一个上下贯通的涡流,有利于硅中杂质原子的挥发.同时,添加石墨保温层后固液界面的形状由“W”状转变为凹状,其上的氧含量有所降低,并且V/Gn值在整个固液界面范围内均大于临界值,可以有效抑制氧沉淀.可见,在感应加热多晶硅生长系统中,采用固化碳毡+石墨保温层时,有利于降低多晶硅的生产成本并提高多晶硅的品质.     

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.