组合动态磁场作用下硅熔体定向凝固的热质输运机理研究

Enlarging the ingot size and using the metallurgical grade silicon directly as raw silicon are the main measures for cost reduction of silicon ingot in recent years. Control problems of melt flow stability, solidification interface and segregation of metallic impurities become more pressing with the higher quality requirement. Dynamic magnetic field (DMF) as a means of actively controlling electrically conductive melt flow has attracted extensive attention. However, each type of DMF has advantages and disadvantages. Combined dynamic magnetic field (CDMF), formed by composition of different types of DMFs, is capable for complementary advantages and thus becomes a promising control means. This project will establishe a comprehensive numerical model for the directional solidification process of multi-crystalline silicon ingots under CDMF. This model can be used to calculate Lorentz force distribution，describe melt flow characteristics, track the solidification interface, and predict segregation of metallic impurities during the whole DS process. With the aids of numerical simulation and experimental investigation, this project will explore effect mechanism of CDMF on melt flow stability and flow structure. Influences of types and parameters of CDMF on solidification interface shape and segregation of metallic impurities will also be investigated. On the basis of control results in multiple aspects, an optimal CDMF control mode will be proposed. This project will prepare the knowledge for optimizing the directional solidification process by CDMF, which is beneficial for producing silicon ingots with low cost and high quality.

增大铸锭尺寸和直接用冶金级硅作为原材料是近年降低晶体硅铸锭成本的主要手段，同时随着对铸锭品质要求的不断提高，使得对熔体流动稳定性、凝固界面形状以及金属杂质分凝的控制问题更为突出。动态磁场作为一种能主动控制导电熔体流动的手段受到广泛关注，但各类动态磁场各有优势和不足，将各类动态磁场叠加形成的组合动态磁场，有望实现优势互补并成为一种颇具潜力的控制手段。本项目针对有组合动态磁场作用的定向凝固过程，建立能够计算洛伦兹力分布、描述熔体流动特性、跟踪凝固界面、预测金属杂质分凝的多场耦合数值模型。结合数值模拟和实验研究，探索定向凝固过程中组合动态磁场对熔体流动稳定性和流动结构的作用机理，阐明组合动态磁场类型及参数对凝固界面形状和金属杂质分凝的影响规律，基于多方面的控制效果提出最优的组合动态磁场控制模式。本项目将为利用组合动态磁场优化定向凝固过程、进而制备低成本高品质晶体硅铸锭提供科学理论依据。

由定向凝固法制备的多晶硅铸锭的品质直接决定太阳电池的转换效率。多晶硅铸锭定向凝固是一个耦合了流动、传热和传质的复杂过程，有效控制高温硅熔体流动结构，并以此来调制获得最佳的凝固界面形状和杂质输运路径，已成为提升硅铸锭品质必须考虑的一个关键环节。本项目采用实验研究和数值模拟相结合的方法，探讨了动态磁场作用下硅熔体定向凝固过程中的热质输运机理，以期发展高效的动态磁场控制措施。. 基于Maxwell方程组，建立了动态磁场感应产生洛伦兹力的数值模型，开发耦合了洛伦兹力和热浮升力等多重驱动力作用的熔体流动传热局部数值模型；同时开展了理论分析和物理模拟实验，对数值模型进行了验证，模拟结果与分析解和实验结果吻合较好。将该局部模型耦合到已开发的全局传热数值模型，获得了能有效预测动态磁场作用下定向凝固系统内熔体流动结构、凝固界面形状和杂质输运的全局传热数值模型。. 采用开发的数值模型和铸锭实验，定量研究了动态磁场电流参数（强度、频率和相移）对洛伦兹力分布、熔体流动形态、温度分布、凝固界面形状和杂质输运等参数或过程的影响，揭示了在洛伦兹力和热浮升力耦合作用下熔体流动结构、凝固界面形状和杂质分布的形成机理，实现了凝固界面形状和杂质分布的预测和调控，同时获得了平直或微凸的凝固界面和最佳的全域熔体混合（消除了死水区域），抑制了环境中的碳杂质向熔体内部的侵入，促进了由坩埚壁面溶解的氧杂质从硅熔体自由面的蒸发，并通过分凝作用将铸锭主体部分的铁杂质含量相对无磁场作用下的浓度下降约两个数量级。. 本项目深入研究了动态磁场对高温熔体定向凝固过程的控制机理，指明了实质有效的高温熔体流动控制措施，不仅能为生长低成本高品质多晶硅铸锭提供技术指导，而且能进一步充实光伏材料制备的基础理论。基于研究成果和积累的研究方法，已发表学术论文11篇，被SCI检索8篇，授权发明专利1项，获得学术奖励1项，协助培养相关研究生4名。