多场耦合下冶金法制备的多晶硅定向生长研究

冶金法多晶硅由于耗能低，投入成本少，工艺操作简单与环境污染小等特点越来越受到人们的青睐。但由于其纯度和光致衰减等技术指标不理想，目前难以形成大规模生产。现有冶金法多晶硅铸锭的研究工作主要是实验研究，而实验缺乏理论指导常常事倍功半。多场耦合模拟技术在晶硅材料中的应用刚刚开始，已经显出其重要的指导作用。本项目利用多场耦合模拟技术对冶金法多晶硅定向生长进行研究。重点研究各种磁场的施加方式和强度、冶金法多晶硅定向生长的数学模型及其定向生长的过程。并通过运用多场耦合模拟技术控制晶体生长方式，优化磁场工艺参数，预测晶体生长缺陷，改善其生长的质量，理解晶体生长机理，获得铸锭炉的热场分布、多晶硅铸锭的温度场和热应力场的分布规律，解决实验难以解决的问题，为实验研究提供理论支持等。这些基础研究对推进冶金法多晶硅产业化进程和我国光伏产业的发展将具有十分重要的意义，同时为江西省光伏产业可持续发展打下坚实的基础。

如何更有效的利用和开发太阳能是当今世界能源领域的热点和难点。多晶硅太阳电池作为目前市场占有率最高的太阳电池，其以低成本和高转换效率的优点从而备受关注。冶金法多晶硅由于耗能低，投入成本少，工艺操作简单与环境污染小等特点越来越受到人们的青睐。但由于其纯度和光致衰减等技术指标不理想，目前难以形成大规模生产。现有冶金法多晶硅铸锭的研究工作主要是实验研究，而实验缺乏理论指导常常事倍功半。多场耦合模拟技术在晶硅材料中的应用刚刚开始，已经显出其重要的指导作用。本项目利用多场耦合模拟技术对冶金法多晶硅定向生长进行研究。重点研究磁冶金法多晶硅定向生长工艺参数的优化、冶金法多晶硅定向生长数学模型的构建、冶金法多晶硅定向生长过程的数值模拟、实验验证、冶金法多晶硅定向生长的机理研究等六方面内容。并通过运用多场耦合模拟技术控制晶体生长方式，优化磁场工艺参数，预测晶体生长缺陷，改善其生长的质量，获得铸锭炉的热场分布、多晶硅铸锭的温度场和热应力场的分布规律，解决实验难以解决的问题，为实验研究提供理论支持等。. 课题组利用多物理场有限元软件COMSOL Multiphysics对无磁场下多晶硅定向生长的热场和应力场的数值模拟研究及无磁场下多晶硅铸锭炉结构的改进对热场、流场和热应力场的影响进行了模拟研究，同时分别对勾形磁场、轴向磁场和稳恒磁场的多晶硅定向凝固过程进行模拟，结果显示稳恒直流磁场的模拟效果最好。通过正交实验法对长晶温度、晶体生长速率、退火工艺和冷却速度4个因素进行3水平正交实验，以金属杂质含量、氧杂质含量、晶粒尺寸和位错密度等参数为指标，对冶金法多晶硅定向生长工艺参数进行了优化，得出优化后的多晶硅定向凝固中晶体生长工艺参数：磁场0.2T，长晶温度1425℃，生长速率 6mm/h, 退火 1300℃ 30min, 冷却速度 4.4 ℃/min。这些基础研究对推进冶金法多晶硅产业化进程和我国光伏产业的发展将具有十分重要的意义，同时为江西省光伏产业可持续发展打下坚实的基础。