摘 要：多晶硅鑄錠爐熱場(chǎng)的優(yōu)化改進(jìn)對(duì)于生長(zhǎng)高質(zhì)量的多晶硅極為重要。本文結(jié)合計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬，對(duì)多晶硅鑄錠爐熱場(chǎng)的底部進(jìn)行優(yōu)化，并分析了這項(xiàng)優(yōu)惠對(duì)溫場(chǎng)、流場(chǎng)和界面的影響。模擬結(jié)果表明，熱場(chǎng)優(yōu)化后，雜質(zhì)分布更加均勻，更有利于定向凝固過程。

關(guān)鍵詞：多晶硅 數(shù)值模擬 熱場(chǎng) 光伏 太陽能

中圖分類號(hào)：TG156.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2013）05（a）-0012-01

多晶硅太陽電池由于產(chǎn)量大、性價(jià)比高，占據(jù)著約50%的光伏產(chǎn)品市場(chǎng)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(lián)系，晶粒尺寸均一、粗大有利于得到高質(zhì)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(chǎng)設(shè)計(jì)以及工藝過程。以往熱場(chǎng)設(shè)計(jì)都是通過實(shí)驗(yàn)來調(diào)整，這需要很高的成本及時(shí)間。同時(shí)，由于鑄錠爐很高的溫度，所以得到爐體內(nèi)部的溫度分布非常困難。數(shù)值模擬的出現(xiàn)為更好的理解熔體凝固過程中的傳熱傳質(zhì)以及溫場(chǎng)、流場(chǎng)的分布提供了有力的工具，已經(jīng)成為學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的重要研究和開發(fā)手段[3]。

1 模型及參數(shù)設(shè)置

本文采用工業(yè)界常用的帶有移動(dòng)隔熱籠的多晶硅鑄錠爐進(jìn)行研究。鑄錠爐的物理模型采用簡(jiǎn)化的二維軸對(duì)稱模型。在物理模型中，考慮了晶體、熔體和坩堝內(nèi)的能量守恒，熔體和氣體中的對(duì)流、各表面之間的輻射、結(jié)晶潛熱、高溫熔體內(nèi)的湍流流動(dòng)。模擬采用STR公司開發(fā)的晶體生長(zhǎng)專業(yè)模擬軟件CGSim，該軟件用于多晶硅鑄錠的數(shù)值模擬研究已被大量文獻(xiàn)所報(bào)道。計(jì)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(jié)合。

2 初始結(jié)構(gòu)模擬結(jié)果

本文以GT Advanced Technology的DSS450多晶硅鑄錠爐為參考，量取了其熱場(chǎng)的實(shí)際尺寸并做了適當(dāng)簡(jiǎn)化，從而進(jìn)行數(shù)值模擬，以鑄錠爐中晶體生長(zhǎng)到熔體高度一半時(shí)（110 mm）為具體說明數(shù)據(jù)點(diǎn)，得到了爐體內(nèi)溫場(chǎng)分布、流場(chǎng)分布以及固液界面的形狀。

2.1 等溫線與熔體對(duì)流

模擬結(jié)果表明，熱場(chǎng)未優(yōu)化時(shí)：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(zhǎng)；靠近坩堝壁面處趨于平坦，并在中心處稍凸。對(duì)于流場(chǎng)而言，熔體中形成一個(gè)對(duì)流漩渦，由坩堝壁向下，至熔體中心區(qū)域向上，這樣的流場(chǎng)將不利于雜質(zhì)揮發(fā)，因?yàn)檑釄灞诟浇南蛳聹u流，將把硅熔體邊緣以及坩堝壁的雜質(zhì)帶入熔體底部并向中心流動(dòng)。

2.2 生長(zhǎng)界面上的V/G比值

參數(shù)V/G比值是用于研究自缺陷的生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)而引入的，結(jié)晶界面前沿是否會(huì)發(fā)生組分過冷主要受界面前沿的溫度梯度G、晶體生長(zhǎng)速度V以及溶質(zhì)邊界層的厚度δc的影響。V/G比值越小且溶質(zhì)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(zhǎng)而且會(huì)導(dǎo)致微晶產(chǎn)生，產(chǎn)生陰影，從而影響電池效率。從模擬結(jié)果可以看出V/G比在在坩堝中心最低，離坩堝300～400 mm時(shí)的值最大，在坩堝壁面處下降。

3 優(yōu)化方案及模擬結(jié)果

3.1 優(yōu)化方案

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

3.2 優(yōu)化方案分析

模擬結(jié)果顯示，優(yōu)化后的等溫線和改進(jìn)前的等溫線相比，溫度間隔增大。兩種溫場(chǎng)將對(duì)晶體生長(zhǎng)產(chǎn)生不同的影響。改進(jìn)前的溫場(chǎng)，坩堝中心向上凸出不明顯，同時(shí)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(chǎng)底部改進(jìn)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(jìn)行，同時(shí)改進(jìn)后固液界面凸出率增大，靠近坩堝壁的等溫線上翹現(xiàn)象被顯著抑制，這樣晶?？梢匝刂怪庇诮缑娴姆较蛏L(zhǎng)，可以有效減少側(cè)壁形核；另一方面，可以減少晶粒向晶錠中間生長(zhǎng)。

4 結(jié)論

本文提出一種優(yōu)化方案，通過數(shù)值模擬研究了優(yōu)化方案前、后的爐體內(nèi)溫場(chǎng)、流場(chǎng)和雜質(zhì)分布，得出以下結(jié)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(zhǎng)高質(zhì)量多晶硅。

（2）熔體中的由一個(gè)渦流變成兩個(gè)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(chǎn)生，進(jìn)而減少了陰影形成的概率。

參考文獻(xiàn)

[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.