高效多晶硅铸锭定向凝固过程中行波磁场的控制机理研究

The multi-crystalline silicon (mc-Si) ingots cast by seed-assisted directional solidification (DS) method are high-performance solar cell materials. The key challenges in the DS process are controlling the initial nucleation, increasing the central grain size and suppressing the peripheral polycrystalline grains near the crucible side walls. All these problems are closely related to the silicon melt convection and the solid-liquid interface shape of phase change. The traveling magnetic field (TMF) is an effective method to actively control the convection of melt with electrical conductivity and the interface shape of phase change for crystal growth. With the aids of theoretical analysis, numerical simulation and experimental investigation, the project investigates the influence mechanism of TMF on melt convection and solid-liquid interface during feedstock melting and crystal growing for high-performance mc-Si ingots. The alloy GaInSn with low melting point is used to carry out physical model experiments and investigate the potential influence of graphite crucible on the magnetic field distribution. Based on the experimental data, the project establishes a thermal-magnetic coupled numerical model for the DS of high-performance mc-Si ingots. The model can be used to reasonably describe the distributions of magnetic field and Lorentz force, effectively predict the characteristics of melt convection, and accurately track the solid-liquid interface of phase change. By using the above numerical model and the DS experimental platform, the project investigates the influence mechanism of TMF on the power consumption, temperature distribution, melt convection and solid-liquid interface. The project provides a theoretical basis to control the melt convection and solid-liquid interface by TMF, which is beneficial for controlling initial nucleation and crystal growth for DS of high-performance mc-Si ingots.

籽晶辅助定向凝固法铸造的多晶硅铸锭是高效的太阳能电池材料。铸锭过程要求控制初始形核、增大中部晶粒并抑制边缘多晶，这与硅熔体流动及固液相变界面形状密切相关。行波磁场是主动控制晶体生长过程中导电熔体流动与相变界面形状的有效方法。本项目拟结合理论分析、数值模拟与实验研究，探索铸造高效多晶硅铸锭的硅料熔化与晶体生长过程中行波磁场对熔体流动和相变界面的控制机理。采用低熔点合金GaInSn开展物理模型实验，分析石墨坩埚对磁场分布的影响，结合实验数据建立能够合理描述磁场与洛伦兹力分布、有效预测熔体流动特性、精确跟踪相变界面的热磁耦合数值模型。基于上述模型及现有晶硅铸锭实验台，研究行波磁场大小、方向、频率、相移及布置等参数对化料与长晶过程中功率消耗、温度分布、熔体流动及相变界面的影响规律。本项目将为高效多晶硅铸锭过程中利用行波磁场控制熔体流动与相变界面形状、进而控制晶粒的形核与生长提供科学理论依据。

太阳能光伏发电是颇具发展前景的能源利用方式，能够有效缓解日益严峻的能源环境问题。籽晶辅助定向凝固法生长的多晶硅铸锭是主要的太阳能电池材料，铸锭品质显著影响电池性能。多晶硅铸锭定向凝固是一个热质流多物理场耦合输运过程，需要有效控制硅熔体流动、温度分布以及固液相变界面形状等参数以改善晶体生长条件。本项目采用实验研究和数值模拟相结合的方法，研究了多晶硅铸锭过程中行波磁场对熔体流动和晶体生长的控制机理。.搭建了行波磁场发生实验平台，测试了不同线圈、电流参数下磁场的空间分布特性，为电磁场数值分析模型的建立提供了验证依据。开展了高效多晶硅铸锭实验，获得了铸锭炉内部监测点温度变化曲线及晶体生长方向特性，为热磁耦合数值模型的发展提供了验证依据。建立了多晶硅铸锭全局全过程热磁耦合输运数值模型，能够合理描述磁场和洛伦兹力分布、有效预测熔体流动特性、精确跟踪固液相变界面，能够用于分析不同磁场条件下熔体中洛伦兹力的作用机理。.采用上述数值模型，研究了多晶硅铸锭过程中坩埚对磁场分布与晶体生长的影响效果，并着重研究了行波磁场大小、方向、频率等参数对铸锭过程中熔体流动、温度分布、相变界面及杂质输运特性的影响规律，分析了不同铸锭阶段行波磁场的作用效果。研究结果表明，1 mT以上磁感应强度所产生的洛伦兹力能够显著增强或消弱热浮力的作用；低频条件下，向上的行波磁场能够加剧凝固界面下凹，向下的行波磁场能够使得凝固界面始终保持微凸，并且界面凸度随磁场的略微增加而显著增强；随着磁场频率的增加，熔体中洛伦兹力显著增大、方向发生改变，对熔体流动及晶体生长的作用效果发生改变；磁场作用下熔体流动特性的改变能够显著影响杂质的溶解、挥发与分凝特性。.该项目研究揭示了多晶硅铸锭过程中行波磁场对熔体流动和晶体生长的控制机理，为通过磁场有效控制铸锭过程提供了理论依据。项目执行过程中共发表学术论文20篇，被SCI检索5篇、被EI检索2篇（不含SCI检索），申请计算机软件著作权1项，获得学术奖励2项，培养从事相关工作的研究生7名。