定向凝固多晶硅界面形态直接控制晶体的微观组织结构,进而影响晶体质量,并最终决定多晶硅太阳能电池的光电转化效率。界面形态的演变过程复杂,且缺乏有效的实验观测手段,难于研究其形成和演变机制,而晶体生长数值模拟技术却具有这方面的优势。这是因为晶体生长数值模拟,一方面,根据所建立的物理模型和数值模型对生长过程进行模拟,可以提供晶体生长全过程中微观组织结构形成与发展的信息;另一方面,可以通过模拟预测晶体的生长情况,并与实验结果相比较,验证界面形态形成和演变机制,同时可以为确定晶体最佳生长工艺参数提供必要的参考数据,以降低相关研究成本、提高效率。本文采用格子玻尔兹曼-元胞自动机(LBM-CA)耦合的方法模拟了硅的竞争生长、小平面生长和晶界凹角生长过程。其中采用LBM进行流场、温度场和杂质浓度场的耦合计算,采用CA方法计算晶体的生长过程。主要研究成果如下:(1)研究了晶体的竞争生长过程。针对不同的形核方式、底部冷却速率和复合加热条件进行模拟计算,计算结果显示晶粒竞争主要存在两个阶段,分别是形核与生长初期的温度主导竞争阶段和生长过程的各向异性主导竞争阶段。通过诱导形核控制形核位置及密度有利于获得优质多晶硅。底部冷却速率越小,晶体水平方向上的竞争越充分。复合加热有利于抑制侧壁形核,但过大的加热功率会导致底部形核晶粒偏向于侧壁生长。(2)研究了晶体的小平面生长过程。在LBM-CA耦合模型中加入高各向异性方程,实现模型的各向异性,将不同界面能各向异性强度与动力学各向异性强度的模拟结果与理论分析及实验结果进行对比验证,具有高度的一致性。验证了小平面生长过程中界面扰动和负温度梯度的必要性,同时发现熔体初始过冷度过高会使生长界面一直处于过冷条件,进而破坏小平面生长的稳定性。(3)研究了晶体的晶界凹角问题。结合晶界凹角成因进行数值模拟,将不同晶界能的模拟结果与理论分析和实验结果进行对比,验证了模型的准确性,并模拟研究了不同晶界能和冷却速率条件下晶界凹角处温度的分布、流体的流动规律与杂质聚集现象,结果显示三者的影响因素主要为晶界凹角的面积。