關注我們: 登錄 | 會員中心 | 手機版 | English

字體大小: 打印

FEMAG定向凝固法多晶硅生長數值模擬方案

原文作者:
  
發布時間:
  2014-12-22
來    源:
  中仿科技
相關產品:
  
下載鏈接:

1. 背景介紹

1.1 多晶硅與太陽能電池

    眾所周知,硅是一種良好的半導體材料,多晶硅是硅單質的一種多晶體形態,它與單晶硅的區別在于多晶硅是由很多取向不一致的小晶體組成,不像單晶硅那樣是一個整體,晶面取向一致。
多晶硅在工業上主要用于半導體產業,是目前市場上最主要的光伏材料,在太陽能電池的制備中得到廣泛應用。多晶硅用于太陽能電池主要是得益于其本身良好的半導體特性以及光伏特性,此外低廉的生產成本以及較高的能量轉化效率使得其應用發展很快。實際上,超過90%的太陽能電池材料都是晶體硅。根據歐洲Joint Research Centre的預測,2030年太陽能發電將占世界電力供應的10%以上,2050年將占20%,21世紀末將起主導作用。可見多晶硅將會在未來幾十年內的光伏產業中發揮巨大的作用。

1.2 多晶硅的定向凝固法制備

    定向凝固技術是一種先進成熟的材料生長技術,在工業和高技術領域以及科研領域都很廣泛的應用。

    定向凝固技術可以用來生產制備磁性材料、航空發動機葉片以及各種人工晶體等。多晶硅的定向凝固法制備在工業上的應用很成熟,可以說是定向凝固技術的典型應用之一。

    定向凝固法制備多晶硅所需的原料來源廣,純度要求較低,獲得的硅晶體具有結晶取向一致、晶粒度均勻等特點,而且定向凝固法的生產效率高,生產成本也較低,具有較好的經濟效益,因此應用在大規模生產上比較有優勢。此外用定向凝固法制備的多晶硅大多為方片,比傳統提拉法單晶硅天然形成的圓片在組件中有更好的面積利用效率,因此近年來定向凝固技術在多晶硅的生產上應用越來越廣泛。

2. 問題及需求

2.1定向凝固法制備多晶硅的現狀

對于太陽能電池等光伏產品而言,轉化效率是備受矚目的一個性能參數。影響多晶硅在太陽能電池中光電轉換效率的因素主要有兩個方面:一方面是硅晶體的純度,即使材料中只含有少量的雜質,也會對電池的光電性能有很大的影響;另一方面是材料中的各種缺陷,例如多晶硅中的晶界、位錯與雜質聚集而成的載流子復合中心,會大大降低多晶電池的效率。
應用定向凝固法生產多晶硅,是通過控制爐體內硅熔體的溫度場,形成特定方向的溫度梯度從而使得熔體沿著與熱流相反的方向定向凝固,并獲得具有特定取向柱狀晶的技術過程。為了保證結晶過程平穩,降低晶體中結構缺陷和雜質,就要求前方熔體中盡可能不含游離晶核,此外還要求溫度梯度大小保持在適合的范圍,溫度梯度方向不出現波動等,因此對設備和溫度場的控制要求都比較高,總之,在實際生產中使用定向凝固法,可能會遇到的困難主要有以下兩大方面:

(1)熔體溫度場的設計和控制要求高,但是實際測量和控制手段有限,不容易實現精確控制;

(2)太陽能級多晶硅對缺陷和雜質的要求苛刻,成品率不高,實際生產前需要對爐體進行大量優化,此外還需要對所生產的產品質量進行綜合預測分析。

 

2.2定向凝固法制備多晶硅的模擬需求

    由于決定多晶硅光電轉化效率的因素例如晶粒尺寸、晶體缺陷、內應力及雜質分布等,都與定向凝固工藝密切相關,特別是與爐體中的溫度場,流場等密切相關。因此,為了提高多晶硅的質量,必須對定向凝固的工藝過程加以分析和優化,這主要是對定向凝固爐體熱場,熔體流場的多物理場的分析與優化。
隨著高速計算機的迅速發展,數值模擬方法已經發展成為解決這一類實際問題的一種重要手段。運用數值模擬技術對多晶硅定向凝固技術所涉及的多物理場進行分析和研究,成為目前國內外廣泛采用的分析手段,且有很多成功的案例。
應用數值模擬仿真技術不僅能綜合分析多晶硅缺陷與溫度場,流場的關系,還能分析多晶硅定向凝固工藝中,熱導率、加熱功率、氬氣流動狀態、外加磁場及定向凝固系統結構等對溫度場的影響,可為縮減能耗,優化生產提供重要的參考信息。

 

3. FEMAG解決方案

    FEMAG/DS是FEMAG軟件專門為定向凝固技術開發的專用軟件,該軟件致力于為定向凝固晶體生長技術提供專業的仿真模擬與數據分析服務,可以實現的模擬參數包括熱場,流場,應力,缺陷分布等,還可以用于分析爐體結構,熱功率,氣流狀態等,實現工藝的優化設計。

3.1 FEMAG/DS的技術案例

3.1.1網格劃分策略

    FEMAG/DS軟件支持對晶體生長爐全局的非結構網格自動生成,此外還針對了磁場作用下磁流體邊界層效應,FEMAG特別提供了BLM網格劃分等多種先進的網格劃分策略,能夠很好的適應特定的復雜的結構和物理情景。

圖3.1不同生長階段的網格劃分

3.1.2溫度場

    FEMAG/DS軟件支持熱傳導模型的高級算法,除了可以計算傳統的傳熱條件外,還能夠在計算中考慮輻射傳熱,提高爐體溫度場模擬的精度。圖3.2是用2D模擬多晶硅定向凝固時全局熱場的案例,由圖可以看到在多晶硅生長的五個不同階段的分布情況,模擬考慮了爐體所有組件的邊界條件和輻射傳熱,精確度高。

圖3.2 多晶硅定向凝固五個生長階段和對應的全局溫度場模擬

圖3.3是用FEMAG對多晶硅定向凝固進行三維模擬的溫度場分布以及對應的等溫面示意圖。

圖3.3多晶硅溫度場和等溫面的三維模擬

3.1.3氣體流動模擬

FEMAG/DS包含氣體的流動模型,可以分析氣體流動速率對熔體自由表面以及生長爐溫度場的影響,下圖案例顯示了在不同的氣流速率環境下,多晶硅以及爐體中溫度場的分布情況。左圖氣流速率為5*10^-4(m3/s),右圖速率2*10^-3(m3/s)。

圖3.4 不同氣流速率下溫度場分布情況

3.1.4熔體流場熱場耦合分析

    FEMAG/DS可以實現定向凝固過程中熔體復雜流場和熱場的耦合分析,包括由溫度梯度和表面張力引起的Marangoni效應,以及對流對溫度場的影響等等。

    下圖是對定向凝固過程的三維模擬,圖中顯示了溫度梯度變化以及熔體流動的變化。

圖3.5溫度場以及熔體流動模擬圖

    在定向凝固工藝中,因為熔體的流動不劇烈,因此Marangon效應比較顯著。圖3.6案例是對Marangoni 效應的分析,(a)圖是沒有Marangoni 效應對應的溫度場和流場分布情況,(b)圖是存在Marangoni效應的情況下對應的溫度場和流場,可以到熔體內由于橫向溫度梯度和表面張力的影響產生的Marangoni效應對熔體流動影響也是很大的。圖3.7圖3.8用3D模擬來展示了強Marangoni效應下的熔體流動情況以及對應的溫度梯度。

圖3.6 (a)無Marangoni效應時流場和溫度場,(b)有Marangoni效應時流場和溫度場

圖3.73D模擬強Marangoni效應下的熔體流動

圖3.8 熔體溫度梯度以及對應的熔體Marangoni效應流動圖

    對定向凝固過程,熔體的凝固界面主要受到爐體溫度場的影響,同時也受到熔體對流的影響,下面案例是對太陽能級多晶硅定向凝固的熱流和熔流的全局耦合分析,以及熔體流動對溫度場和凝固界面的影響。

圖3.9溫度場和流場耦合分析對凝固結果的影響

    (a)圖是只分析熱場對凝固的影響,(b)圖同時耦合分析了熱場和對流的影響,可以看到在引入對流的耦合分析后,等溫凝固界面比只分析熱場時的凝固界面更平直。

 

3.1.5雜質缺陷分布動態模擬

    FEMAG/DS可以動態地模擬分析晶體和熔體中氧碳等雜質的分布,下圖案例是對多晶硅晶體和熔體中氧和碳的分布情況的三維模型分析。

圖3.10熔體和晶體中氧濃度分布

圖3.11熔體和晶體中碳濃度分布

4. 關于FEMAG

    FEMAG是全球首款商業的晶體生長模擬仿真軟件。從二十世紀八十年代開始,FEMAG公司就著力為全球用戶開發最專業的晶體生長數值計算仿真工具,經過三十多年的不斷發展,已經為全球絕大多數晶體設備供應商、半導體材料科研機構等提供設計、優化其晶體生長工藝過程的幫助。

    FEMAG公司總部位于比利時,FEMAG公司創始人和首席科學家、新魯汶大學教授Dr. François Dupret是國際著名晶體生長和流體力學專家、第二屆晶體生長模型國際研討會主席、EUROTHERM相變熱力學研討會聯合主席、機械工程學位委員會主席,曾擔任國際晶體生長( Journal of Crystal Growth )期刊主編。作為國際上晶體生長數學模型構建和數值仿真計算的領導者和奠基人,其開創性的產品FEMAG在國際上廣受歡迎,用戶遍及全球。

我要索取更多   
一级a做爰片免费视频_免费黄片视频在线观看2018 <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <文本链> <文本链> <文本链> <文本链> <文本链> <文本链>