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多场作用下多晶硅定向生长的研究

刘志辉  
【摘要】:太阳能作为一种新兴洁净能源,资源丰富且对环境无危害,使人类进入节能减排的时代。多晶硅太阳能电池因制作成本低、生产工艺简单而广泛使用。多晶硅的生长过程是一个缓慢而复杂的过程,因此,多晶硅的定向凝固技术是决定多晶硅太阳能电池性能中关键的一个因素。本文采用有限元模拟软件Comsol Multiphysics对多晶硅结晶生长进行瞬态的全局模拟,分析了坩埚厚度分别为15mm、20mm、25mm时对硅料的熔化以及生长结晶过程的影响。当坩埚厚度为15mm时,固液界面会呈现出微型的“W”形;当坩埚厚度为20mm时,固液界面是下凹的;这两种界面情况都不利于晶体的生长。但当坩埚厚度为25mm时的固液界面最为平坦,此种情况对晶体生长较为有利。此外,随着坩埚厚度的增加,晶体内的应力会逐渐降低,这样有利于提高多晶硅的质量。本文还模拟了轴向磁场对多晶硅定向凝固的影响,研究了不同电流强度对硅熔体对流和熔体所受洛伦兹力的影响,并且对模拟结果进行了实验验证。结果表明,外部的轴向磁场对表面的熔体对流有显著的抑制作用,模拟中,所受的最大洛伦兹力也随着线圈通电电流的增大逐渐变大,熔体流速会受到抑制而减小。在实验中,当铸锭时加入100mT的轴向磁场,硅锭的界面会由下凹变得平滑,这样可以获得柱状晶粒组织,提高多晶硅的质量。另外,在多晶硅的结晶过程中,研究了降温速率对固液界面、少子寿命和晶体结构的影响规律。当降温速率从8K/h降低到4K/h时,固液界面曲率半径增加,少子寿命从0.23μs增加到1.36μs,但当速率减少至2K/h时,少子寿命却降至0.21μs。当实验中降温速率过低时,晶粒会出现从(100)面生长转向(111)面生长的情况。


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