多场耦合诱导枝晶的生长和输运规律

The growth of large-grain multi-crystalline silicon ingot is the key to making cost-efficiency solar cells. The use of magnetic field and multi-field coupling in dendrite growth is favorable for large-grain ingot. However, the macro and micro dynamics characteristic on the interface and the transfer processes involved in the dendrite growth, which have great influence on the grain size, determines the specific direction of the process. On the basis of the molecular dynamics and statistical thermodynamic theory which give a description of atomic transfer process, the behaviors of crystal growth and the transfer are investigated for the study of dendrite growth induced by magnetic field in the growth process of large-grain multi-crystalline silicon in the subject, in order to construct the micro-dynamic model which describes the dendrite growth during the process of multi-crystalline silicon induced by multi-field coupling. Theoretical analysis, numerical simulation and experiment are used for the study of followings, including the morphology and transfer law of the silicon atoms near the solid/liquid interface, as well as the influence of various factors on the dendrite growth in the initial nucleation, thus can reveal the essential reasons of the effect of the interface atomic layer growth by multi-field coupling and the influence of the dendrite growth by different situation. The scientific criterion and technical basis are provided in the quantitative expression and forecast of the large-grain multi-crystalline silicon growth technique which based on dendrite growth induced by the magnetic field.

大晶粒多晶硅铸锭的生长是制造低成本高效率太阳光伏电池的关键。利用磁场诱导、多场耦合的枝晶生长有助于获得大晶粒的铸锭。然而，枝晶生长中涉及的界面宏观和微观动力学特性，以及伴随枝晶生长的输运过程对晶粒尺寸的影响，决定了该过程的具体走向。本课题以磁场诱导枝晶生长大晶粒多晶硅过程中的晶体生长和输运行为为研究对象，基于描述原子运动过程的分子动力学和统计热力学理论，构建描述多场耦合过程多晶硅枝晶生长的微观动力学模型。采用理论分析、数值模拟和实验等手段，针对固/液界面附近硅原子团的存在形态和输运规律以及各种因素对初始形核时枝晶生长的影响规律进行分析研究，揭示多场耦合影响界面原子层生长和各种因素影响枝晶生长的本质原因。为基于磁场诱导枝晶生长的大晶粒多晶硅生长技术的定量表达及预测提供科学判据和技术基础。

在定向凝固法生长多晶硅铸锭过程中加入磁场，可实现对硅熔体中温场和流场的主动控制，进而控制晶粒尺寸和晶向，是制造低成本高效率太阳光伏电池的关键。本课题采用数值模拟、理论分析和试验相结合的方法，围绕磁场诱导生长定向晶体过程进行研究分析，通过对磁场、温场、流场、应力场等多场耦合求解分析，研究枝晶生长过程中磁场效应、热力学效应以及动力学效应对诱导枝晶规律的影响。结合初期枝晶诱导形核，到后期控制温场和流场，从而控制固/液界面生长大晶粒多晶硅，深入分析了传热传质对枝晶生长的各种因素的影响。引入用于描述晶格生长机理的统计热力学理论，对多场耦合作用下硅原子的生长行为进行探索性的研究。同时利用PIV实验台进行各种工况下流场的实时监测，进而全面的揭示多场耦合诱导枝晶生长大晶粒多晶硅的长晶和输运规律。. 研究结果表明：不同的晶体生长方法的熔体受力和流动状态不同，使用静态磁场还是动态磁场来驱动或抑制熔体流动或组合使用，需根据具体情况进行分析；动态磁场由于可变参数较多，需要对其进行进一步综合优化；轴向磁场在熔体内部产生的洛伦兹力可以抑制不稳定的自然对流，改变了熔体的对流涡旋结构，向下50 mT的轴向磁场对抑制熔体对流有显著效果；轴向磁场增加了生长初期固液界面前的轴向温度梯度，优化了熔体内部的温度分布和固液界面形状，减少了坩埚内壁面处进入熔体的杂质；设计的定向凝固法准单晶硅生长炉及其生长方法，籽晶熔接过程和晶体生长阶段采用DS块氩气强制冷却系统，通过控制各个底部氩气冷却进口管的氩气流量，有利于精确控制籽晶温度和固液界面形状；设计的一种多晶硅铸锭炉氩气导流系统及其导流方法，渐扩型底部和侧面喷淋式氩气进口系统，使熔体硅轴向温度梯度、氩气横掠熔体硅自由表面的速度、固/液界面形状的控制更加方便。以上研究成果为基于磁场诱导枝晶生长的大晶粒多晶硅生长技术的定量表达及预测提供科学判据和技术基础。