摘要: 带状硅生长技术可以避免传统硅片制造中由线切割工艺造成的材料浪费和表面损伤，将大大降低体硅太阳电池制造成本。相比于垂直硅带生长方法，水平带状生长(HRG)方法扩展了固-液界面接触线，为凝固过程潜热的耗散提供了更大的区域，易于实现高生长速率... 展开 带状硅生长技术可以避免传统硅片制造中由线切割工艺造成的材料浪费和表面损伤，将大大降低体硅太阳电池制造成本。相比于垂直硅带生长方法，水平带状生长(HRG)方法扩展了固-液界面接触线，为凝固过程潜热的耗散提供了更大的区域，易于实现高生长速率。然而，HRG方法对硅带生长过程控制要求高，目前HRG生长模型还无法解释硅带生长的过程。因此，本文针对水平硅带生长过程中凝固成型、传热传质、高效换热机制等问题，建立包含传热、流体流动、物质传递以及移动网格的多物理场耦合模型，系统研究了硅带水平凝固成型机理、生长过程中熔体内部复杂对流机制以及射流冲击硅片表面换热和应力分布特性，最后进行水平硅带生长装备的样机设计。论文主要研究内容和创新结果如下： 1.基于流体力学、热力学、表面力学等理论，建立了HRG凝固生长过程多场耦合有限元模型。研究硅带水平运动引发的强迫对流对热质输运的影响，分析了表面热通量、冷却方式、提拉速度等参数对硅带成型厚度的影响规律；阐明了氧杂质浓度在热流耦合作用下的对流扩散机制，揭示了固-液-气三相接触界面在多物理场耦合作用下的变化规律。结果表明，模型预测了凝固的生长和扩散行为，2D成核发生在三相接触线处，首先形成台阶，然后沿着凝固界面向下传播；硅带在稳定状态下成型的厚度受水平提拉速度和射流换热量影响，提拉速率越快形成的硅带越薄，当提拉速率高于临界值时会破坏稳定生长条件；采用射流冷却方式可将凝固过程中释放的潜热通过垂直方向去除，这是HRG过程可实现快速生长的主要条件之一；凝固界面氧杂质含量的分布主要受熔液内部对流的影响，在热毛细对流强度较大区域其氧浓度较高。 2.构建了HRG过程中熔体内部的复杂流动模型，研究了温度梯度下热毛细-浮力效应以及移动壁面对硅熔体热场和流场的影响规律，系统研究了无量纲参数Ma、Ra和Bi对热-质传输以及固-液界面速度分布和温度分布的影响，探讨了坩埚尺寸长宽比A对熔融硅传热传质的影响，分析了自由表面温度和速度的振荡特性，阐明了界面流动机理。研究表明：对于Ma较小的情况下(Ma＜100)，硅液内部的传热方式以热传导的方式进行，提拉速率大小对熔体内部的对流起着决定性作用。Bi数的增加可以降低自由表面温度的非线性程度，从而削弱热毛细效应。在换热量较大的情况下(Bi较大)，硅带获得高生产速率的同时熔体内部的温度受热毛细效应的影响减小。当Ma增加到临界值时，自由表面处将会由热毛细效应产生温度和速度振荡，较大的Ma将会引起较早的温度振荡时间，和较大振幅的温度振荡。温度的振荡特性几乎不受Bi和Vg影响。适当减小坩埚尺寸长宽比A的数值可以有效削弱热毛细作用，从而可以更好地维持固-液界面温度场的稳定性。 3.系统研究了HRG生长过程中，使用惰性气体氩气作为冷却气体冲击硅片表面换热的特性，探讨了射流参数对换热量的影响，揭示了射流换热条件下硅片热应力的分布规律。结果表明：降低射流间距H/wj、增加入口雷诺数Re、降低射流入口流体温度Tin，都可以增强三相接触线处的换热量，可以提高HRG工艺生产效率。冲击表面的Nu数为高斯分布，驻点区域换热量最高，远离驻点换热量逐渐降低，三相接触点处换热量与驻点区域比值为96%。此外，射流冲击换热条件下，硅片内部会产生热应力，而在表面形成冲击应力。在换热量较大参数条件下，硅带在获得较高生长工艺的同时其内部应力相对较低。 4.基于以上模型分析，从水平硅带生长原型机的热场结构、射流冷却装置、提拉机构以及相关的控制系统等几个方面着手设计并搭建了HRG工艺的原型机。原型机的热场结构主要由坩埚、加热器、射流装置、温度测量与反馈系统以及隔热材料组成。针对硅熔体上表面出现的熔化不完全和表面氧化的现象，对水平提拉硅带成型原型样机进行了热场优化设计并提出增加导流装置设计。 收起