感应加热制备太阳能级铸造准单晶硅生长机理研究

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太阳能是一种重要的绿色可再生能源,并且在二十一世纪前半期成为最重要的基础能源之一。目前为止,在光伏发电中晶硅类太阳能电池占整个光伏市场的90%以上,在晶硅类材料中,传统直拉单晶硅材料中杂质和缺陷的含量低且其太阳能电池转换效率高,但生产成本也较高;铸造多晶硅生产成本低,但其内部存在较多的晶界、位错和杂质,严重影响其太阳电池的转换效率。铸造准单晶硅结合了直拉单晶硅与铸造多晶硅的优势,其生产成本低且转化效率高,它的出现对光伏产业具有重要意义。围绕低成本高效率太阳能电池晶硅材料,本文采用专业晶体生长数值模拟软件(CGsim)对太阳能级铸造准单晶硅生长过程中感应加热和电阻加热两种加热条件下进行功耗对比,并对感应线圈高度、感应线圈频率及拉锭速度对熔体流动行为、固液界面及晶体氧含量进行了系统的数值模拟,并获得结果如下:(1)运用感应和电阻两种加热方式获得了大致相同的熔体流动状态。感应加热方式下熔体内部的温度更加均匀且有效地降低熔体内的温度梯度,有利于晶体生长。(2)熔体中电磁力是熔体流动的驱动力之一,并且感应线圈高度与熔体高度的比值(k)对熔体内电磁力的大小和分布具有很大的影响,当k值为1.2时,熔体内形成一个上下贯通的涡流,有利于杂质的挥发。同时,当感应线圈频率在3000 Hz-5000 Hz范围时,熔体对流强度较低,可以增加坩埚-熔体边界层的厚度,降低熔体中的氧含量。(3)随着拉锭速度的增大,固液界面曲率逐渐加大,增加了铸锭边缘区域多晶的形成几率;另一方面,熔体温度逐渐降低,导致晶体氧含量会逐渐减少;同时,拉锭速度大于10 mm/h时,固液界面处V/Gn值均大于临界值。最终,最佳的铸造准单晶硅拉锭速度为10 mm/h—15 mm/h。
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