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高效太阳电池生长机理的计算机模拟与可视化研究

胡贵华  
【摘要】: 能源与环境问题是21世纪人类面临的两大主要问题。世界能源将以石油化工能源为主的能源逐步转变为太阳能为主的可再生能源。太阳能是永不枯竭、无污染的清洁能源。高效率多结叠层太阳电池(GaAs基系多结太阳电池)是目前世界上最具竞争力的新一代太阳电池,它是航天飞行器急需的高性能长寿命空间主电源。在研制GaAs叠层太阳电池的方法中,金属有机化学气相沉积(Metal Organic Chemical Vapor Phase Deposition, MOCVD)技术是最优的。当前国内外关于GaInP薄膜电池生长的研究都是从实验方面研究GaInP/GaAs/Ge叠层电池的工艺特性,从而优化工艺和结构参数,但是缺乏从计算机模拟方面研究GaInP薄膜生长的动力学机理。 然而,计算机模拟往往在模型建立和计算分析方面具有较大优势,但缺乏直观和交互特性。虚拟现实(Virtual Reality, VR)可视化技术弥补了计算机模拟的不足,可以帮助设计师和工艺师发现设计中的问题,为改进设计提供理论依据。因此,将计算机模拟与虚拟现实可视化技术有机结合可以创造一个更人性化的集成仿真系统,为优化结构设计和工艺参数提供指导依据。 本论文以MOCVD设备研制高效多结太阳电池为背景,用计算机模拟和可视化研究的方法,从宏观和微观两个角度分别研究GaInP外延材料的生长动力学机理。其主要研究内容和成果如下: 1.运用计算流体力学(computational fluid dynamics, CFD)方法对生长高效三结GaInP/GaAs/Ge叠层太阳电池的MOCVD反应室内气体的热流场进行了数值模拟研究。通过对不同工艺参数下反应室内气体热流场的数值模拟,得出结论:其他条件一定时,在气体总流量5L/min和系统压力0.1atm时,衬底上的热流场分布比较均匀。同时,要求衬底的长度不能超过两端排气口,为优化MOCVD反应室衬底的尺寸设计提出了合理化建议。 2.利用虚拟现实可视化技术对MOCVD反应室内气体的热流场进行了可视化仿真。可视化仿真结果准确直观地显示反应室内温度场和速度场的分布情况,研究人员可以透过反应室表面看清室内的温度场和速度场的分布情况,从而及时调整加热器的温度和进口气体的总流量等工艺参数,在Ge衬底表面获得均匀的热流场分布。 3.运用正交实验法对MOCVD生长GaInP薄膜电池的工艺参数进行了数值模拟试验,对试验结果进行了极差分析和方差分析,得出了影响恒温区厚度H的工艺参数的主次顺序,并得出了最佳参数组合;用回归分析的方法建立了基于恒温区厚度的MOCVD工艺参数数学模型;经过试验验证了MOCVD工艺参数影响作用的普遍性,为MOCVD反应室热流场的恒温区厚度提供了经验公式,为合理确定MOCVD工艺参数提供了理论基础。 4.以MOCVD技术生长高效GaAs叠层太阳电池为对象,提出了一种基于动力学蒙特卡罗方法的模拟多元化合物GaInP薄膜生长模型及模拟算法。对GaInP薄膜生长的过程进行了动力学蒙特卡罗模拟。 5.将动力学蒙特卡罗模拟的结果与虚拟现实可视化技术结合,实现了MOCVD反应室内GaInP薄膜生长过程的可视化仿真。模拟仿真结果准确直观地展示了MOCVD反应室内GaInP薄膜生长的过程,揭示了模拟时间、衬底温度及沉积速率对GaInP薄膜形貌的影响规律;模拟仿真结果与实验结果具有一致性,为优化MOCVD生长GaInP薄膜的工艺参数提供理论依据。 6.在Windows环境下,基于Visual Studio.net2003和Open Inventor开发了一个高效太阳电池生长机理仿真系统的原型系统,实现了总体设计中的各个功能模块。 通过本文的研究,获得在一定条件下高质量GaInP薄膜材料的工艺参数,对提高太阳电池的效率和质量具有重要的意义。


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