孫肖林， 李 路， 王昕萌

(1.三江學(xué)院電子信息工程學(xué)院，江蘇南京210012；2.南京新奧太陽(yáng)能有限公司，江蘇南京210019)

太陽(yáng)電池薄膜材料CFD數(shù)值模擬及優(yōu)化策略研究

孫肖林1， 李 路1， 王昕萌2

(1.三江學(xué)院電子信息工程學(xué)院，江蘇南京210012；2.南京新奧太陽(yáng)能有限公司，江蘇南京210019)

主要研究對(duì)象為GaInP太陽(yáng)電池薄膜材料，生長(zhǎng)參數(shù)采用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)反應(yīng)室內(nèi)氣體熱流場(chǎng)CFD的數(shù)值模擬結(jié)果，通過(guò)動(dòng)力學(xué)蒙特卡洛(KMC)法對(duì)薄膜的生長(zhǎng)過(guò)程進(jìn)行計(jì)算模擬，得到了數(shù)據(jù)的分布形式及通信的優(yōu)化策略并同時(shí)降低通信開(kāi)銷(xiāo)，在已知沉積條件的情況下對(duì)以大量粒子為基礎(chǔ)的薄膜的生長(zhǎng)情況進(jìn)行了仿真分析，這有效地解決了計(jì)算機(jī)單機(jī)能力不足的情況，同時(shí)大大降低了仿真的時(shí)間。經(jīng)過(guò)分析可知，模擬所得結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果一致，這為優(yōu)化在MOCVD技術(shù)下GaInP薄膜生長(zhǎng)的工藝參數(shù)提供了一定的理論依據(jù)。

GaInP太陽(yáng)電池薄膜材料；蒙特卡洛法；計(jì)算仿真；優(yōu)化策略

以GaAs為基系的多結(jié)太陽(yáng)電池是目前最具競(jìng)爭(zhēng)力的新型太陽(yáng)電池之一，在研制該太陽(yáng)電池的方法中，應(yīng)用MOCVD技術(shù)可生長(zhǎng)出相對(duì)比較復(fù)雜的器件結(jié)構(gòu)，這也使得多結(jié)疊層太陽(yáng)電池的規(guī)?；a(chǎn)成為可能。由于應(yīng)用MOCVD技術(shù)過(guò)程中薄膜的生長(zhǎng)過(guò)程比較復(fù)雜，所以對(duì)其生長(zhǎng)過(guò)程的研究大部分采用計(jì)算機(jī)模擬的方式。計(jì)算機(jī)模擬的主要方法有分子動(dòng)力學(xué)法、蒙特卡洛法及第一原理法等，其中將蒙特卡羅法與分子動(dòng)力學(xué)相結(jié)合的動(dòng)力學(xué)蒙特卡洛法(KMC)由于本身為隨機(jī)過(guò)程等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于薄膜生長(zhǎng)過(guò)程的模擬中[1]。本文的研究對(duì)象為應(yīng)用MOCVD技術(shù)并以GaAs為襯底進(jìn)行生長(zhǎng)的GaInP太陽(yáng)電池薄膜材料，薄膜的生長(zhǎng)參數(shù)由反應(yīng)室內(nèi)氣體熱流場(chǎng)CFD的數(shù)值模擬結(jié)果確定，同時(shí)對(duì)KMC原子薄膜的生長(zhǎng)情況進(jìn)行仿真，通過(guò)并行計(jì)算的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)薄膜生長(zhǎng)狀態(tài)的模擬，這樣可使仿真時(shí)間大大縮短。

1 太陽(yáng)電池薄膜生長(zhǎng)的KMC模擬及并行計(jì)算算法

在應(yīng)用KMC法對(duì)薄膜的生長(zhǎng)狀態(tài)進(jìn)行模擬時(shí)，假設(shè)原子發(fā)生擴(kuò)散、脫附、沉積等現(xiàn)象具有一定的隨機(jī)性。運(yùn)用相應(yīng)的CFD軟件對(duì)反應(yīng)室內(nèi)氣體的熱流場(chǎng)進(jìn)行模擬計(jì)算，并通過(guò)后處理軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，同時(shí)記錄數(shù)據(jù)中表示Ga、In和P原子位置的信息，最終得到表示三維的網(wǎng)格數(shù)據(jù)文件。假設(shè)，KMC晶格的組成為個(gè)小立方體，其中每個(gè)小立方體的邊長(zhǎng)為Ga、In和P三種原子直徑的平均值D(約為0.285 nm)，其中分別表示KMC的長(zhǎng)寬高，其大小由運(yùn)算量和所模擬對(duì)象的數(shù)目決定，應(yīng)用相關(guān)的公式可將CFD所得的網(wǎng)格數(shù)據(jù)映射到KMC晶格空間中[2]。

在原子進(jìn)行吸附時(shí)，首先在襯底上任意選擇一點(diǎn)，當(dāng)格點(diǎn)為空時(shí)則占據(jù)該點(diǎn)，當(dāng)格點(diǎn)不為空時(shí)躍遷至薄膜上層中的空格點(diǎn)，當(dāng)所沉積的原子越來(lái)越多時(shí)薄膜則逐步進(jìn)入生長(zhǎng)階段。其中原子擴(kuò)散的速率主要由基底溫度和周?chē)优c其的相互作用所決定，應(yīng)用相關(guān)公式計(jì)算可得吸附原子躍遷和原子向空位躍遷的速率等。在進(jìn)行KMC模擬時(shí)，一般將最近鄰和次近鄰兩個(gè)位置選為其擴(kuò)散位置，若原子周?chē)霈F(xiàn)3個(gè)以上相鄰原子時(shí)，原子就停在這一位置。

在應(yīng)用KMC法對(duì)薄膜的生長(zhǎng)過(guò)程進(jìn)行研究時(shí)，假設(shè)原子的位置均可用KMC晶格空間中相應(yīng)的點(diǎn)表示，而且沉積原子的躍遷速率僅由其周?chē)h(huán)境決定。這樣可將對(duì)晶格空間較大的薄膜的模擬分解為一定數(shù)量的較小的空間內(nèi)薄膜生長(zhǎng)并行模擬[3]。在設(shè)計(jì)GaInP薄膜KMC生長(zhǎng)并行算法時(shí)，需考慮通信策略問(wèn)題各數(shù)據(jù)的分布方式，這樣可平衡并行計(jì)算的各個(gè)進(jìn)程，同時(shí)可減少各進(jìn)程之間的通信量及通信次數(shù)。

當(dāng)GaInP薄膜KMC生長(zhǎng)時(shí)，由于襯底上各原子之間具有很強(qiáng)的相關(guān)性，所以通過(guò)劃分成塊的方式將KMC晶格空間劃分為若干個(gè)連續(xù)的子空間，且每個(gè)子空間所包含的KMC晶格數(shù)相同，這樣可使不同的進(jìn)程模擬相應(yīng)子空間的KMC生長(zhǎng)過(guò)程，這樣可保持各進(jìn)程的負(fù)載之間的平衡。為了減少各進(jìn)程之間的通信量及通信次數(shù)，在劃分晶格空間時(shí)應(yīng)考慮位于薄膜生長(zhǎng)邊界區(qū)域原子的通信問(wèn)題。當(dāng)原子進(jìn)行躍遷時(shí)其速率的大小主要由其周?chē)Ц竦膭?shì)能所決定[4]。圖1所示為劃分晶格空間時(shí)的兩種方式。當(dāng)采用格狀劃分時(shí)，位于邊界處的原子需和3個(gè)進(jìn)程通信，當(dāng)采用片狀劃分時(shí)，位于邊界處的原子只需和1個(gè)進(jìn)程通信即可，所以采用片狀劃分的方式對(duì)晶格空間進(jìn)行劃分。

圖1 KMC晶格劃分

當(dāng)應(yīng)用KMC方法對(duì)薄膜的生長(zhǎng)過(guò)程進(jìn)行研究時(shí)只需考慮擴(kuò)散和吸附事件，為了減少各進(jìn)程之間的通信量及通信次數(shù)，將每個(gè)進(jìn)程的數(shù)據(jù)分兩部分進(jìn)行存儲(chǔ)：分別為本地空間和鄰域拷貝空間。當(dāng)計(jì)算吸附過(guò)程時(shí)，首先更新本地空間中原子的位置信息，從而減少通信次數(shù)，當(dāng)計(jì)算擴(kuò)散過(guò)程時(shí)，只將襯底中邊界處的原子與其它進(jìn)程之間進(jìn)行通信，同時(shí)對(duì)鄰域拷貝空間中的數(shù)值進(jìn)行更新，從而減少通信量[5]。這樣使每個(gè)進(jìn)程既對(duì)其區(qū)域內(nèi)的原子數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，又對(duì)襯底上其鄰域的原子數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄。晶格空間襯底進(jìn)程的劃分情況見(jiàn)圖2，其中陰影部分包括進(jìn)程2的鄰域拷貝空間，這主要是由于在進(jìn)行擴(kuò)散時(shí)需與進(jìn)程1和進(jìn)程3通信。圖3所示為GaInP薄膜KMC生長(zhǎng)的并行計(jì)算模擬算法簡(jiǎn)圖，圖4和圖5所示為各進(jìn)程算法中的原子擴(kuò)散過(guò)程及吸附過(guò)程。

圖2 晶格空間襯底進(jìn)程的劃分情況

圖3 并行計(jì)算模擬KMC生長(zhǎng)GaInp薄膜

圖4 并行計(jì)算中的吸附算法

圖5 并行計(jì)算中的擴(kuò)散算法

記錄計(jì)算所得的Ga、In和P三種原子的坐標(biāo)，進(jìn)行可視化仿真時(shí)的輸入?yún)?shù)為經(jīng)晶格空間到CFD網(wǎng)格空間變換后的結(jié)果，應(yīng)用OpenInventor軟件實(shí)現(xiàn)薄膜生長(zhǎng)的可視化。圖6所示為三維GaInP薄膜KMC生長(zhǎng)過(guò)程的仿真算法。

Gowth process of CFD numerical simulation of solar cell membrane material and optimization strategy research

The main research object was the GaInP solar cell membrane materials.The growth parameters was using metal organic chemical vapor deposition(MOCVD)reaction chamber gas heat flow field of CFD numerical simulation results,using the kinetic monte carlo(KMC)method calculation and simulation of thin film growth process,obtained the data distribution form and the optimization of communication strategies and reduce communication overhead at the same time,in the case of sedimentary conditions known to a large number of particles on the basis of thin film growth simulation analyses.It effectively solved the computer LAN ability of insufficient,at the same time,greatly reduced the simulation time.After analysis,the simulation results agree with the experimental results,the optimization for the GaInP thin film growth under MOCVD technology parameters have provided the certain theory basis.

GaInP solar cell membrane materials;monte carlo method;computational simulation;optimization strategy

TM914

A

1002-087X(2016)12-2375-02

2016-05-12

2014年江蘇省高校自然科學(xué)基金（14KJD510009）

孫肖林（1982—），女，山西省人，碩士，講師，主要研究方向?yàn)楣怆娂呻娐吩O(shè)計(jì)。