[发明专利]一种多晶硅铸锭生长界面的仿真模拟方法

说明书

本发明公开了一种多晶硅铸锭生长界面的仿真模拟方法，利用COMSOL有限元仿真软件对定向凝固过程的进行流场、热场模拟，通过定义材料参数、热源温度等条件，来模拟研究硅熔体的流动分布、流动速度和长晶过程的温度场分布，从得到固液界面形状图。本发明的优点：通过对多晶硅定向凝固过程温度场进行数值模拟，得到了硅熔体的流场分布图，硅熔体的流动行为，对铸造多晶硅工艺有着重要的影响，对定向凝固过程的流场分布的研究，对工艺的改进提供的可靠的理论参考；对晶体的凝固过程进行了数值模拟，得出和长晶过程的温度场分布图，进而得以研究长晶过程的固液界面形状，晶粒生长取向。对研究如何制得良好品质的柱状晶锭，有着重要的意义。

技术领域

本发明涉及一种多晶硅铸锭生长界面的仿真模拟方法，属于多晶硅技术领域。

背景技术

多晶硅铸锭的实际生产，所需要的晶硅原料量大，一炉的成本至少也要几十万元，并且,定向凝固实验非常昂贵,所以在从事铸锭生长研究的时候，可以采用有限元的思想，用COMSOL软件对定向凝固的过程进行数值模拟计算和分析。这种有限元COMSOL模拟方法和以前的近似计算方法(有限差分法)相比，有自己独特的特点与优势，该方法已经成为现代工程学计算，和各方科研领域不可或缺的的一种方法。

一开始，计算机模拟是将整个生长系统划分成三个子系统来各自处理。在2003年，V.VKalsev等人研究出了整个生长系统的热量传导的模型，模型中包括气体流动，熔体的紊流和固液界面的参数的计算。随后，Dupret等人基于有限元方法开发了FEMAG，FEMAG是一种更加具有专业性的代码的工具。它可以分析预测整个生长炉内的全局温度场分布、硅熔体的流场分布、固液界面的形状、晶粒的生长取向和大小。甚至可以详细计算固体和熔体中的热传导、熔体和气体的对流和固液界面处的潜热的热量状态。而G.Mueller等人受到于神经网络算法的启示，开发出了应用范围更加广泛的专业性代码STHAMAS。STHAMAS既可以正向动态模拟不同在工艺条件下的对流和温度分布,也可以由温度分布等结果反向推算出工艺参数值。在固液界面的模拟研究方面，刘秋娣、唐亚楠等科学家曾经就采用过数值模拟计算方法，通过建立数学模型来研究在不同的工艺参数下，温度场分布与固液界面形状的关系。

使用定向凝固法制备得到的多晶硅锭通常会存在着不同的晶粒取向，而且在晶粒间界中往往会存在着大量的缺陷，从而影响多晶硅锭的品质，进一步影响着制得的太阳能电池片的光电转化效率。通过控制定向凝固过程中的晶粒形状、尺寸、生长方向是降低多晶硅中晶体缺陷的主要方法之一。而多晶硅晶粒的形状、尺寸、生长方向等这些因素又与定向凝固工艺中的温度场分布，温度梯度控制，

固液界面形状等因素息息相关。通过合理的控制固液界面处的温度梯度，固液界面保持水平稳定上升，得到的多晶硅的光电性能较好。

所以在定向凝固工艺中，一方面严格控制炉内硅熔体的纵向温度梯度，保持在合理的范围，得到理想的凝固速度。另一方面控制生长界面处的水平方向上温度梯度等于零，使固液界面趋于平直。从而得到生长取向均匀且平直向上的柱状多晶硅。这种柱状多晶硅的电学性能均匀一致且转化效率高。而影响炉内热场温度分布，熔体温度梯度分布的主要因素有:(1)加热器功率和热量分布情况；(2)炉内各材料的密度、热容、导热系数等各参数；(3)定向凝固快的散热情况，隔热材料的保温效果等。

因此亟需根据上述影响因子进行多晶硅铸锭生长界面的仿真模拟方法，求解计算模拟实现晶体硅的融化，长晶过程。

发明内容

本发明要解决的技术问题，在于提供一种多晶硅铸锭生长界面的仿真模拟方法，利用COMSOL有限元仿真软件对定向凝固过程的进行流场、热场模拟，通过定义材料参数、热源温度等条件，来模拟研究硅熔体的流动分布、流动速度和长晶过程的温度场分布，从得到固液界面形状图。

本发明通过下述方案实现：一种多晶硅铸锭生长界面的仿真模拟方法，其包括以下步骤：

步骤一，几何建模：在COMSOL软件中以实况结构模型图进行建模；