【摘 要】
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多晶硅是硅基光伏电池的主流半导体材料,制备方法主要采用定向凝固晶体生长技术,数值模拟技术可以用来仿真晶体生长过程,探索晶体生长的宏、微观机制。传统的晶体生长数值模
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多晶硅是硅基光伏电池的主流半导体材料,制备方法主要采用定向凝固晶体生长技术,数值模拟技术可以用来仿真晶体生长过程,探索晶体生长的宏、微观机制。传统的晶体生长数值模拟局限于宏观物理场的模拟,对微观缺陷形成和发展的研究依赖于新型的宏微观耦合数值模拟技术。小平面生长是晶体生长过程中一种典型的行为,生长过程中,界面前沿将会发生从小平面向等轴生长的转变,这种转变是由于硅锭柱状晶粒中杂质颗粒的突然出现,其等轴晶晶粒小、晶界多,对最终多晶硅光伏电池光电转化效率有重要影响。本文采用格子玻尔兹曼-元胞自动机(LBM-CA)相耦合的方法模拟了硅晶体的小平面生长和小平面枝晶生长以及在定向凝固过程中多晶硅的小平面柱状晶向等轴晶生长转变(FET)。LBM进行流场、温度场和溶质场的耦合计算。CA方法则用来计算硅熔体在坩埚界面和SiC颗粒上的形核,以及生长和捕获。(1)小平面界面生长。对于硅而言,界面动力学系数相当低,这意味着其动力学过冷将会很大。模型中考虑了表面张力和界面动力学的高各向异性以模拟小平面界面的生长。硅熔体在高速生长下由于潜热的释放会在固液界面处产生负的温度梯度形成锯齿形小平面界面;温度梯度绝对值越高,其生长速度越快。由于过冷度的差异,在固液界面会发生小平面的吞并。(2)小平面枝晶生长。与非小平面枝晶不同,小平面枝晶表现出更强的各向异性,并且随着过冷度和界面能各向异性强度的增加,缺失取向更多,棱角分明。(3)小平面柱状晶向等轴晶生长演变。碳含量足够高的小平面界面前沿可以通过在SiC上形核导致等轴生长。在凝固过程中,当杂质含量较低时,观察到从小平面柱状晶向热等轴枝晶的转变;当杂质含量升高时,观察到从小平面柱状晶向小平面等轴晶粒的转变;同时本模型还预测了等轴晶的转变时间和位置。通过改变形核位置密度和形核过冷度可以实现对最终多晶硅微观组织结构更有效的控制。
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