感应加热制备太阳能级铸造准单晶硅生长机理研究

【摘要】：太阳能是一种重要的绿色可再生能源,并且在二十一世纪前半期成为最重要的基础能源之一。目前为止,在光伏发电中晶硅类太阳能电池占整个光伏市场的90%以上,在晶硅类材料中,传统直拉单晶硅材料中杂质和缺陷的含量低且其太阳能电池转换效率高,但生产成本也较高；铸造多晶硅生产成本低,但其内部存在较多的晶界、位错和杂质,严重影响其太阳电池的转换效率。铸造准单晶硅结合了直拉单晶硅与铸造多晶硅的优势,其生产成本低且转化效率高,它的出现对光伏产业具有重要意义。围绕低成本高效率太阳能电池晶硅材料,本文采用专业晶体生长数值模拟软件(CGsim)对太阳能级铸造准单晶硅生长过程中感应加热和电阻加热两种加热条件下进行功耗对比,并对感应线圈高度、感应线圈频率及拉锭速度对熔体流动行为、固液界面及晶体氧含量进行了系统的数值模拟,并获得结果如下：(1)运用感应和电阻两种加热方式获得了大致相同的熔体流动状态。感应加热方式下熔体内部的温度更加均匀且有效地降低熔体内的温度梯度,有利于晶体生长。(2)熔体中电磁力是熔体流动的驱动力之一,并且感应线圈高度与熔体高度的比值(k)对熔体内电磁力的大小和分布具有很大的影响,当k值为1.2时,熔体内形成一个上下贯通的涡流,有利于杂质的挥发。同时,当感应线圈频率在3000 Hz-5000 Hz范围时,熔体对流强度较低,可以增加坩埚-熔体边界层的厚度,降低熔体中的氧含量。(3)随着拉锭速度的增大,固液界面曲率逐渐加大,增加了铸锭边缘区域多晶的形成几率；另一方面,熔体温度逐渐降低,导致晶体氧含量会逐渐减少；同时,拉锭速度大于10 mm/h时,固液界面处V/Gn值均大于临界值。最终,最佳的铸造准单晶硅拉锭速度为10 mm/h—15 mm/h。 【关键词】：准单晶硅 感应加热 固液界面 氧含量V/Cn
【学位授予单位】：宁夏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM914.4;TN304.12
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-7
• 第一章 绪论7-20
• 1.1 引言7-8
• 1.2 多晶硅定向凝固铸造技术8-13
• 1.2.1 浇铸法9-10
• 1.2.2 热交换法10
• 1.2.3 布里奇曼法10-12
• 1.2.4 电磁感应加热连续铸造12
• 1.2.5 定向凝固系统法12-13
• 1.3 铸造准单晶硅13-18
• 1.3.1 铸造准单晶硅的优势14-15
• 1.3.2 铸造准单晶硅的生产方法15-16
• 1.3.3 研究进展16-18
• 1.4 本文研究的主要意义及内容18-20
• 第二章 铸造准单晶硅生长理论及数值模型建立20-28
• 2.1 电磁感应加热原理20-22
• 2.1.1 趋肤效应及感应加热计算21
• 2.1.2 电磁力作用21-22
• 2.2 定向凝固的基本理论22-25
• 2.2.1 定向凝固过程中的传热问题22-23
• 2.2.2 定向凝固过程中的杂质分凝23-25
• 2.2.3 定向凝固过程中的成分过冷25
• 2.3 CG-sim软件简介25-26
• 2.4 数值模型建立26-28
• 第三章 感应线圈高度与熔体高度比值k的确定28-39
• 3.1 感应加热与电阻加热的对比28-29
• 3.2 保温层厚度对熔体内部温度的影响29-30
• 3.3 线圈高度与熔体高度比值k对铸锭参数的影响30-38
• 3.3.1 线圈高度与熔体高度比值k对熔体对流的影响30-32
• 3.3.2 线圈高度与熔体高度比值k对石英坩埚内壁影响32-33
• 3.3.3 线圈高度与熔体高度比值k对熔体自由表面的影响33-34
• 3.3.4 线圈高度与熔体高度比值k对硅熔体温度的影响34-36
• 3.3.5 线圈高度与熔体高度比值k对固液界面形状及氧含量的影响36-38
• 3.4 本章小结38-39
• 第四章 感应线圈频率及拉锭速度对生产参数的影响39-49
• 4.1 铸锭过程中籽晶铺设厚度分析39-41
• 4.2 感应线圈频率对硅熔体的影响41-43
• 4.2.1 感应线圈频率对功率的影响41
• 4.2.2 感应线圈频率对熔体流动行为的影响41-43
• 4.3 感应线圈频率对固液界面形状及氧含量的影响43-44
• 4.4 拉锭速度对准单晶硅生长的影响44-48
• 4.4.1 拉锭速度对熔体内温度分布和熔体对流的影响44-45
• 4.4.2 拉锭速度对固液界面的影响45-47
• 4.4.3 拉锭速度对固液界面氧含量的影响47
• 4.4.4 拉锭速度对V/Gn值的影响47-48
• 4.5 本章小结48-49
• 第五章 结论与展望49-51
• 5.1 结论49
• 5.2 展望49-51
• 参考文献51-56
• 致谢56-57
• 个人简介57

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