發(fā)布時間：2021-01-18 14:01

　　太陽能是一種理想的可再生能源,因其清潔無污染、可應用范圍廣等特點而得到廣泛的應用。多晶硅目前普遍地應用于太陽能光伏產(chǎn)業(yè),是一種重要的光伏產(chǎn)業(yè)基礎材料,其鑄錠的質量較大的影響著太陽能電池的光電轉換效率。定向凝固法是目前常見的高質量多晶硅的生產(chǎn)方法,且能節(jié)約生產(chǎn)成本。本研究基于定向凝固系統(tǒng)法生產(chǎn)多晶硅的原理,通過有限元建模分析軟件,構建多晶硅定向凝固過程的數(shù)值仿真模型。本模型耦合了熱場、流場、濃度場及磁場等多物理場,以傳熱傳質、流體動力學等理論為研究基礎。本論文主要研究外加磁場對多晶硅長晶過程的影響。研究發(fā)現(xiàn),當外加磁場為垂直磁場時,磁場強度對多晶硅的結晶過程有較大的影響。增大垂直磁場的磁場強度對熔體對流的抑制作用增強,有利于減少熔體中的下部環(huán)流的尺寸,從而減少硅錠中的氧雜質含量;然而磁場強度增大使得在結晶100分鐘后熔體與晶體之間的固-液界面的偏移度增大。當外加磁場為勾形磁場時,磁場分布對多晶硅的結晶過程有較大的影響。勾形磁場的上、下部磁場會切的位置的磁場強度較小,當磁場的會切位置位于硅域的下部時,硅域的上部處磁場強度較大,對上部熔體的對流的抑制較強;當磁場會切位置位于硅域上部時,硅域的... 

【文章來源】：南昌大學江西省 211工程院校

【文章頁數(shù)】：92 頁

【學位級別】：碩士

【部分圖文】：

圖２．１熱量傳遞示意圖??

?在沒有其他外部條件（如坩堝旋轉或磁場的影響等）的影響下，硅熔體的對??流主要由浮力流產(chǎn)生的自然對流而引起。硅熔體在層流狀態(tài)下流動時的流動數(shù)??據(jù)可以由Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程求解，這些求解方程包括質量守恒的連續(xù)性方程、??動量守恒方程和能量守恒方程。??流體質量傳遞的過程中遵守質量守恒，其基本思想為質量不能憑空被創(chuàng)建??或消滅，因此質量只能在某一系統(tǒng)中傳遞。質量傳遞所遵守的規(guī)律如下：??質量變化＝Ｉ：流入質量－?Ｓ流出質量??從二維角度來說，單位流體中發(fā)生的質量傳遞可以由圖２．２表示，可以看出，??通過單位面積的流出質量與單位面積內質量以及該單位面積流入質量相關。??ｄ（ｐｖ）?＇１??ｐｖ＋Ｓ７－＾ｙＡａｒ??：?Ｊ?．??；ｍｉ?ｉ??？?ｉ??？?ｉ???１?？??ｐｕＡｙ?１?－＾—ＡｘＡｙ?ｉ?Ａ?１Ａ??１１??????ｐｖＡｘ??圖２．２質量傳遞示意圖??質量守恒方程如下：??＾?＋?Ｖ－（ｐｕ）?＝?０?（２．２１）??ｏｔ??其中表示密度，單位為ｋｇ／ｍ３；Ｈ是流體的速度向量，單位：ｍ／ｓ。??流體流動的過程中遵守動量守恒。基于牛頓第二定律來考慮，動量守恒可以??表示如下??［動量的變化ｊ?＝?Ｅ流入的動量－?５：流出的動量＋?Ｅ作用力??可以看出，流體流動的過程中動量的變化主要與流入和流出的動量以及作??１７??

??第二章多晶硅定向凝固過程中的多物理場數(shù)學模型???用力相關。其中作用力可以是體積力，也可以是表面力。在三維空間中，動量守??恒發(fā)生在每一個方向，為了方便描述，在此將發(fā)生在Ｘ軸方向的單位體積內的動??量守恒過程示意圖表示為如圖２．３所示，其中圖（ａ）表示ｘ方向的動量變化，圖（ｂ）??表示作用力（表面力）的變化。??⑷（ＰＭｉ；＋專２矽卜?０５）卜＋每妙）＆??４?丨…．－???？??？丨＿?｜?［（心竽＋?７丨＿丨????Ｉ?ｔ?■■丨丨丨?＿?＇??；???——＞？?＾????丨吵Ｕ）Ａ?Ａ?：?；??！?－ＪＴ＾?：?！漏ｙ?ｉ??１?．．Ｉ??－１??，．彳４、?｛．？?？＇．?＇?４?；?？＇Ｃｊ??圖２．３動量守恒示意圖??動量守恒方程如下：??ｄ＇Ｕ?ｒ?４?４??ｐ—＋?ｐ（ｕ－Ｖ）ｕ?＝?Ｖ?－?Ｔ－ｐ／?＋?ｔ?＋Ｆ?（２．２２）??ｏｔ??其中／？是壓力，單位為Ｐａ；?ｒ是粘性應力張量，單位為Ｐａ；?Ｐ是體積力向??量，單位為Ｎ／ｍ３。??當流體中存在非等溫流動時，還應考慮流體中的能量守恒。能量守恒與能量??的傳遞有關，可以表示為如下形式：??能量積累速率＝傳導或對流傳遞的凈能量＋內部發(fā)熱??－流體傳遞到周圍的凈功??能量守恒方程如下：??ｐＣｐ（＾?＋?（ｕ－Ｖ）ｒ）?＝?－（Ｖ－ｑ）?＋?ｒ：５－＾｜ｐ（＾＋（ｕ－Ｖ）ｐ）?＋?（？?（２．２３）??其中Ｇ是恒壓熱容，單位為Ｊ／（ｋｇＸ）；?￥是熱通量向量，單位為Ｗ／ｍ３；左是??應變率張量，且存在以下關系：??５?＝?＾?（Ｖｗ?＋?（Ｖｕ）Ｔ）?（２．２

【參考文獻】：
期刊論文
[1]鑄錠爐改進對多晶硅固-液界面影響的數(shù)值模擬[J]. 宋伯韜,羅玉峰,饒森林,張發(fā)云,胡云.  特種鑄造及有色合金. 2019(04)
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[3]多晶硅鑄錠生長過程熱應力與位錯的數(shù)值模擬研究[J]. 王晨東,左然,蘇文佳.  人工晶體學報. 2018(05)
[4]多晶硅晶體生長中固-液界面研究進展[J]. 張發(fā)云,饒森林,王發(fā)輝,龔洪勇,胡云,陳小會,劉俊.  人工晶體學報. 2017(10)
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[6]多晶硅鑄錠過程中行波磁場作用下的傳熱流動特性研究[J]. 李早陽,劉立軍,邵玥,周根樹.  工程熱物理學報. 2016(06)
[7]定向凝固多晶硅鑄錠爐石英坩堝的改進與熱場優(yōu)化[J]. 陸曉東,張鵬,吳元慶,趙洋,王澤來,周濤,邊玉強.  人工晶體學報. 2015(11)
[8]非均勻熱場條件下多晶硅定向凝固研究[J]. 朱徐立,洪永強.  人工晶體學報. 2015(08)
[9]多晶硅冷卻過程中入口流速及隔熱底板運動對硅錠內熱應力影響[J]. 王森,張全江,田俊,方海生.  中國科技論文. 2015(11)
[10]磁場在晶體生長中的應用[J]. 狄晨瑩,左然,蘇文佳.  材料導報. 2014(13)

碩士論文
[1]磁場控制定向凝固法多晶硅傳熱傳質數(shù)值模擬研究[D]. 牛文清.江蘇大學 2018
[2]多場作用下多晶硅定向生長的研究[D]. 劉志輝.南昌大學 2017



本文編號：2985076