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基于數值模擬的太陽能直拉硅單晶熱場降耗研究

原文作者:
  CnTech
發布時間:
  2016-01-06
來    源:
  CnTech
相關產品:
  FEMAG
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鄧先亮,吳亮,鄧康,任忠鳴

(上海大學材料科學與工程學院,上海  200072)

摘要: 通過計算機數值模擬仿真技術分析了TDR-95A-ZJS型22英寸太陽能直拉硅單晶熱場結構中影響能耗的主要因素。基于模擬結果提出了通過改變部分熱場結構及保溫氈布局等優化措施可有效降低原有熱場功耗。實際生產實驗表明,優化后的熱場在保證晶體生長原有質量前提下較原有熱場節能29%。

關鍵詞: 數值模擬;直拉硅單晶;熱場;功耗;

1 引言

本世紀以來隨著半導體和光伏產業的飛速發展,對單晶硅片的需求量日益增加。目前直拉法(Czochralski法)是生產單晶硅常用的方法之一,其顯著優勢是可生產出高質量、大直徑的半導體級或太陽能級單晶硅片,主要用來制作LSI、晶體管、傳感器等半導體器件及硅基高效太陽能電池[1]。

硅單晶爐的熱場主要由導流筒、各種石墨件、加熱器及保溫材料等成套部件構成[2]。直拉硅單晶的生長過程中首先要將多晶硅原料裝于石英坩鍋內并在1420℃以上的溫度下熔融,溫度穩定到目標溫度后將確定晶向的單晶硅籽晶與熔體熔接后引晶,再經過過放肩、轉肩、等徑、收尾、冷卻等工序完成單晶硅的的生長過程[3]。圖1是當前太陽能級直拉單晶硅生產成本結構,包括電力成本和其他輔料、人工等成本部分,其中電力成本占最大比例(28.3%)。因此,降低單晶生長過程的功耗對于進一步降低硅片制造成本、實現太陽能平價上網具有重要意義。

圖1 太陽能單晶硅生產成本分析圖

Fig.1 Photovoltaic single silicon crystal production cost structure

由于直拉單晶長晶實驗周期長、成本高,本文將主要利用計算機數值模擬仿真技術開展一系列模擬計算,逐步優化其熱場結構以實現長晶功耗的降低,并根據最終模擬仿真優化結果開展熱場改造及實驗,實現降低直拉單晶熱場功耗目的。

2 模型

2.1 數學模型

本文模擬軟件采用比利時魯汶天主教大學開發的晶體生長專業軟件FEMAG-CZ。該軟件以實際爐體結構及晶體生長工藝參數為依據,采用有限元法對晶體生長過程中的傳熱和傳質過程進行全局性數值模擬,可以精確預測整個生長爐內的全局溫度分布[4]、固液界面的形狀、熔體/氣流的流動,并能對晶體生長過程的各種雜質及摻雜元素、晶體生長過程的熱應力、晶體生長點缺陷等進行計算與分析[5]。其采用的基本控制方程如下:

其中,T為溫度場、ρ為介質密度、C為介質的比熱、K為介質的導熱系數、W為單位體積提供的熱源,u和B分別代表速度場和外加磁場,P、µ、βT、g、J、I分別代表壓強、動力粘度系數、液流的體積膨脹系數、重力加速度、電流強度和單位張量,d為平均應變速率張量,Ts是晶體溶化溫度,Kl為熔體的導熱率;Ks為晶體的導熱率是液相的外法向單元,Vg是晶體的生長速度,ΔH是單位質量晶體的凝固潛熱。(1)~(6)分別為能量控制方程、連續性方程、流體動量控制方程、氣體動量控制方程、固液界面控制方程。

本文所優化的TDR-95A-ZJS型22英寸太陽能直拉單晶原始熱場結構如圖2所示。

圖2 單晶爐熱場結構簡圖

Fig.2 Schematic structure of hotzone in Czochralski silicon single crystal growth furnace   

2.2 模擬工藝參數

下表1是模擬過程中采用的基本物性參數表。

晶硅生長條件如表2所示,采用FEMAG-CZ準穩態模擬技術,模擬晶體長度為250mm、對應等徑拉速為0.9mm/min。

表2 晶體生長條件

3 模擬優化過程與分析討論

本文熱場優化基本過程如下:首先使用FEMAG-CZ缺省材料庫將模擬計算需求功率結果與實際生產過程進行分析比較,以便對部分缺省材料庫中物性參數進行修正,使模擬計算熱場中物性參數的選擇更接近實際生產;然后,基于修正的物性參數,在給定對工藝參數條件下對熱場結構或使用材質進行一系列的修改與模擬計算實驗,以便分析每次熱場結構的單獨改變對功率需求的影響;最后,根據模擬計算結果,綜合分析熱場結構及布局的改變對加熱器功率需求、溫度場/流場分布的影響,確定、計算綜合優化后的熱場,并開展熱場改造與生產實驗,評估熱場改造效果。

3.1 缺省材料庫物性參數修正

該熱場實際生產過程中加熱器功耗基本保持在72KW~79KW。我們選取多種保溫層物性參數開展模擬仿真實驗,以便使模擬結果匹配實際生產過程功率需求。經過多次的模擬實驗,我們選取保溫層導熱系數0.55 W·m-1·K-1,在該導熱系數情況下模擬計算需求功率為72.90KW,能比較好的接近實際生產需求功率。后續的模擬結果將在以此基礎上進行。

3.2 熱場的分析優化

直拉單晶長晶在高溫、封閉的低真空度環境下進行。在熱場內部,傳熱主要通過高溫輻射、傳導/對流導熱等方式實現。通過模擬手段我們對原熱場高功耗原因進行了分析。圖3為模擬所得的熱場導熱邊界熱量損失分布圖,通過該圖可以發現,在原有熱場中存在多處熱量散失較嚴重。如加熱器頂部的石墨保溫桶由于直接接受加熱器的高溫輻射,溫度較高。而石墨材料由于具有優異的導熱性能(為石墨保溫軟氈100倍以上),很大部分加熱器輻射熱量由于這部分結構設計不合理而損失掉;同時,由于上保溫層偏薄,導致熱場上部保溫層保溫效果不理想。模擬計算結果表明,僅對上保溫石墨套結構進行適當修改就可降低加熱器功耗約13%。

  

圖3 熱場邊界導熱熱量損失分布圖

Fig3 Conductive heat fluxes along boundary

此外,我們分別單獨對應熱場中的頂環、下保溫蓋外環、下保溫蓋外環、中軸保護套、下保溫筒及護盤等進行細微修改及考慮上述的綜合修改,如保持原尺寸或結構但使用與石墨筒相近強度但導熱系數小得多的石墨硬氈等,得到如圖4所示的加熱器需求功率圖。

圖4 材質或結構改變對功耗降低的影響

Fig.4 The impact of material/structure changes on power consumption

保溫層的保溫效果對長晶過程中加熱器功率需求有非常重要影響。考慮到爐體的總體結構,保溫桶外側最多容納的碳氈層數為12(每層石墨碳氈厚度10mm),所以我們分別模擬計算了上、中保溫筒外側軟碳氈層數逐步增加到12層對熱場功耗的影響。圖5為上保溫桶外側碳氈層數由3層增加到12層的熱場功率需求變化,圖6為中保溫桶外側碳氈由8層增加到12層的熱場功率需求變化。

從圖5可以看出,隨著上保溫筒保溫氈層數的增加,加熱器需求功率迅速降低,但增加至8層后加熱器功率需求趨勢逐步降緩。而原熱場中保溫筒外側保溫碳氈為8層,加熱器功率需求趨勢隨中保溫筒保溫氈層數的增加也逐步降低,但遠不如上保溫氈從3層增加至8層(見圖6)。

基于上述分析,考慮到以最低的成本、最小的熱場改動要求及碳氈材料成本等因素,最終采取的熱場優化方案為:把頂環、下保溫蓋外環、下保溫蓋外環、中軸保護套、下基保溫桶及護盤材料替換為石墨硬氈,上保溫桶外側石墨軟碳氈層數增加到8層,中保溫桶外側石墨軟碳氈層數增加到12層。

圖5 上保溫罩外側碳氈層數和功耗的關系

Fig.5 The relationship between top graphitefelt insulator layers and power consumption

3.3 綜合改進后熱場與原熱場模擬比較

圖4、圖5及圖6分別分析了通過單獨修改對應結構或材質對加熱器功率需求的影響。我們在綜合了上述所有單獨修改后,模擬計算最終熱場加熱器需求功率僅為51.58KW,較原熱場加熱器需求功率下降29%。

3.3.1改進前后溫度場和流場的對比

圖7是原熱場(左)與綜合優化后新熱場(右)溫度場比較圖。從圖7可以看出,改進后熱場與原熱場溫度場分布主要差別在于改進后的熱場加熱器上高溫區明顯縮小,上導流筒附近溫度稍高且溫度梯度更均勻。因此,改進后的熱場加熱器需求功率顯著下降,上導流筒附近保溫效果也得到加強,這些都有利于提高加熱器及石墨熱場壽命。

圖7 優化前后溫度場對比

Fig7 Comparison of temperature field before and after optimization

圖8 優化前后流場對比

Fig8 Comparison of flow/temperature field in melt/crystal before and after optimization

3.3.2 固液界面對比

圖8為熱場改進前后晶體及熔體內溫度場及流場分布。通過比較圖可以看出,熱場改進后的熔體內溫差較小,溫度梯度變化更平緩。盡管熔體流動無顯著變化,但改進后的晶體生長固液界面更加平坦(見圖8、圖9),有利于降低晶體內的熱應力和獲得更均勻的摻雜分布,進而獲得低應力及徑向電阻率均勻的晶體。

圖9 優化前后固液界面位置

Fig9 Melt/crystal interface shape before and after optimization

3.3.3 生長速率

圖10 優化前后固液界面溫度梯度分布

Fig10 Temperature gradient around melt/crystal interface before and after optimization

圖10為熱場改進前后晶體生長固液界面軸向溫度梯度分布。晶體生長速度與其固液生長界面溫度梯度正相關,而從圖10可以看出,熱場修改前后晶體生長固液界面處溫度梯度基本保持不變,預期改進后晶體的結晶速率基本保持不變。

3.3.4 石英坩堝內壁溫度

圖11為熱場改進前后石英坩堝內壁溫度變化曲線。從圖11可以看出,改進后的熱場坩堝內壁溫度較改進前平均下降約5°C。這一方面即有利于避免坩堝高溫軟化變形的風險,同時也有利于降低坩堝中氧的擴散及氧在熔體中的飽和溶解度[7]。

圖11 優化前后坩堝內壁分布

Fig11 Temperature profiles along inner wall of quartz crucible before and after optimization

3.4 綜合改進熱場實驗驗證

為了驗證模擬結果的可靠性,我們在河南協鑫光伏材料有限公司對TDR-95A-ZJS型22英寸太陽能直拉單晶熱場進行了上述改造及實驗驗證。改進后的熱場在晶體生長長度為250mm時實際加熱器功耗僅為48.56KW,相比數值模擬預測結果低3.02KW。這個誤差可能與模擬計算中對保溫碳氈使用了常導熱系數有關。

4 結論

基于FEMAG-CZ軟件對TDR-95A-ZJS型22英寸太陽能直拉硅單晶熱場進行了大規模模擬計算分析、優化與改造,并和實際生產進行了比較驗證。改進優化后的熱場在滿足晶體生長條件的基礎上較原有熱場降耗29%。

致謝 本文作者感謝上海高校特聘教授 (東方學者) 崗位計劃資助

參考文獻 References

[1] Tao M. Manufacturing of Wafer-Si Solar Cells and Modules[M]. Terawatt Solar Photovoltaics. Springer London, 2014: 47-60.

[2] Huang L Y, Lee P C, Hsieh C K, et al. On the hot-zone design of Czochralski silicon growth for photovoltaic applications[J]. Journal of crystal growth, 2004, 261(4): 433-443.

[3] Derby J J, Brown R A. Numerical simulation technology of crystal growth[J]. Journal of Crystal Growth, 1989, 97: 152.

[4] Dupret F, Nicodeme P, Ryckmans Y, et al. Global modelling of heat transfer in crystal growth furnaces[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 1990, 33(9): 1849-1871.

[5] Wu L. Numerical simulation of Czochralski bulk crystal growth process: investigation of transport effects in melt and gas phases[D]. UCL, 2008.

[6] Users manual FEMAG[J]. FEMAGSoft S.A. Louvain-la-Neuve,
   Belgium, www.femagsoft.com, 2008.

[7] Hirata H, Hoshikawa K. Oxygen solubility and its temperature dependence in a silicon melt in equilibrium with solid silica[J]. Journal of crystal growth, 1990, 106(4): 657-664.

The Study of Power Consumption on CzochralskiSilicon Single Crystal Growth Process for Photovoltaic through Numerical Simulations

Deng Xianliang,Ren Zhongming,Deng Kang,Wu Liang

(Department of Material Science and Engineering, Shanghai University, Shanghai 200072, China)

Abstract: Factors influencing the heater power consumption on 22inch hotzone in TDR-95A-ZJS Czochrolaski crystal growth furnace for photovoltaic application are analyzed by means of numerical modeling and simulations. Based on numerical simulation results, hotzone optimization through structure and graphite insulator layout modifications targeted for heater power reduction is proposed. Physical crystal growth experiments show that the heater power consumption is reduced by 29% after hotzone optimization while the crystal quality remains very similar to the ones obtained by original hotzone.

Keywords: Numerical simulation; Silicon single crystal; Power consumption; Hotzone; Czochralski

________________________

Corresponding author: Wu Liang, Ph. D., Professor, Department of Material Science and Engineering, Shanghai University, Shanghai 200072, China, Tel: 0086-21-56331694,E-mail:[email protected]

 

  
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