多晶硅鑄錠爐熱場底部改進的數值模擬研究

摘 要：多晶硅鑄錠爐熱場的優(yōu)化改進對于生長高質量的多晶硅極為重要。本文結合計算機數值模擬，對多晶硅鑄錠爐熱場的底部進行優(yōu)化，并分析了這項優(yōu)惠對溫場、流場和界面的影響。模擬結果表明，熱場優(yōu)化后，雜質分布更加均勻，更有利于定向凝固過程。

關鍵詞：多晶硅 數值模擬 熱場 光伏 太陽能

中圖分類號：TG156.8 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）05（a）-0012-01

多晶硅太陽電池由于產量大、性價比高，占據著約50%的光伏產品市場份額[1]。多晶硅鑄錠晶粒的大小及組織形態(tài)與電池的性能有著密切的聯系，晶粒尺寸均一、粗大有利于得到高質量的多晶硅片，從而提高多晶硅太陽電池的效率[2]。多晶硅晶粒大小和組織形態(tài)，很大程度上取決于多晶硅鑄錠爐熱場設計以及工藝過程。以往熱場設計都是通過實驗來調整，這需要很高的成本及時間。同時，由于鑄錠爐很高的溫度，所以得到爐體內部的溫度分布非常困難。數值模擬的出現為更好的理解熔體凝固過程中的傳熱傳質以及溫場、流場的分布提供了有力的工具，已經成為學術界和產業(yè)界的重要研究和開發(fā)手段[3]。

1 模型及參數設置

本文采用工業(yè)界常用的帶有移動隔熱籠的多晶硅鑄錠爐進行研究。鑄錠爐的物理模型采用簡化的二維軸對稱模型。在物理模型中，考慮了晶體、熔體和坩堝內的能量守恒，熔體和氣體中的對流、各表面之間的輻射、結晶潛熱、高溫熔體內的湍流流動。模擬采用STR公司開發(fā)的晶體生長專業(yè)模擬軟件CGSim，該軟件用于多晶硅鑄錠的數值模擬研究已被大量文獻所報道。計算方法采用有限元法（固體區(qū)域）與有限體積法（流體區(qū)域）結合。

2 初始結構模擬結果

本文以GT Advanced Technology的DSS450多晶硅鑄錠爐為參考，量取了其熱場的實際尺寸并做了適當簡化，從而進行數值模擬，以鑄錠爐中晶體生長到熔體高度一半時（110 mm）為具體說明數據點，得到了爐體內溫場分布、流場分布以及固液界面的形狀。

2.1 等溫線與熔體對流

模擬結果表明，熱場未優(yōu)化時：等溫線和固液界面在坩堝壁面處向上翹曲，高于坩堝中心的等溫線高度，說明溫度在坩堝壁面上偏低，有利于多晶硅晶體的快速生長；靠近坩堝壁面處趨于平坦，并在中心處稍凸。對于流場而言，熔體中形成一個對流漩渦，由坩堝壁向下，至熔體中心區(qū)域向上，這樣的流場將不利于雜質揮發(fā)，因為坩堝壁附近的向下渦流，將把硅熔體邊緣以及坩堝壁的雜質帶入熔體底部并向中心流動。

2.2 生長界面上的V/G比值

參數V/G比值是用于研究自缺陷的生長動力學而引入的，結晶界面前沿是否會發(fā)生組分過冷主要受界面前沿的溫度梯度G、晶體生長速度V以及溶質邊界層的厚度δc的影響。V/G比值越小且溶質邊界層厚度δc越小，越不容易發(fā)生組分過冷。較大的V/G比，將發(fā)生熔體過冷，不利于大晶粒鑄錠的生長而且會導致微晶產生，產生陰影，從而影響電池效率。從模擬結果可以看出V/G比在在坩堝中心最低，離坩堝300～400 mm時的值最大，在坩堝壁面處下降。

3 優(yōu)化方案及模擬結果

3.1 優(yōu)化方案

在保持熱場其他部分不改變的情況下，僅在DS塊四個底邊增加了一段隔熱條，目的是減少向側面的散熱，促進豎直向上的定向凝固。

3.2 優(yōu)化方案分析

模擬結果顯示，優(yōu)化后的等溫線和改進前的等溫線相比，溫度間隔增大。兩種溫場將對晶體生長產生不同的影響。改進前的溫場，坩堝中心向上凸出不明顯，同時坩堝壁附近有向上翹起的等溫線，因此，不利用中心多晶的定向凝固。而熱場底部改進后，在坩堝底部的等溫線間隔變大，散熱更加集中從DS塊正下方進行，同時改進后固液界面凸出率增大，靠近坩堝壁的等溫線上翹現象被顯著抑制，這樣晶?？梢匝刂怪庇诮缑娴姆较蛏L，可以有效減少側壁形核；另一方面，可以減少晶粒向晶錠中間生長。

4 結論

本文提出一種優(yōu)化方案，通過數值模擬研究了優(yōu)化方案前、后的爐體內溫場、流場和雜質分布，得出以下結論。

（1）坩堝中間晶體凸出率增大，壁面附近區(qū)域翹曲減小。有利于生長高質量多晶硅。

（2）熔體中的由一個渦流變成兩個渦流，使摻雜劑的分布更加均勻。

（3）減小了V/G比值，從而減少微晶的產生，進而減少了陰影形成的概率。

參考文獻

[1]G.Hering.Year of the tiger[J].Photon International，2011，3：186-218.

[2]Fujiwara K，Pan W，Sawada K，et al.Directional growth method to obtain high quality polycrystalline silicon from its melt[J].Journal of Crystal Growth，2006（2）：282-285，292.

[3]I.Steinbach，M.Apel，T.Rettebach，D. Frank， Numerical simulations for silicon crystallization processes-examples from ingot and ribbon casting[J].Solar Energy Material and Solar cells，2002：59-68，72.