基于CA-LBM耦合的铸锭多晶硅晶体生长的数值模拟

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1、分类号：TN304密级：公开UDC：548编号：201421801010河北工业大学硕士学位论文基于CA-LBM耦合的铸锭多晶硅晶体生长的数值模拟论文作者：连庆庆学生类别：全日制学科门类：工学学科专业：材料物理与化学指导教师：陈洪建职称：教授资助基金项目：国家自然科学基金(51475138)；教育部“蓝火计划”产学研联合创新项目衡水专项(2014-LHJH-HSZX-011)DissertationSubmittedtoHebeiUniversityofTechnologyforTheMasterDegr

2、eeofMaterialsPhysicsandChemistryNUMERICALSIMULATIONOFCRYSTALGROWTHOFMULTI-CRYSTALLINESILICONBASEDONCA-LBMCOUPLINGMETHODbyLianQingqingSupervisor:Prof.ChenHongjianMay2017ThisworkwassupportedbytheNationalNaturalScienceFoundationofChinathroughGrantNo.51475138

3、,andthe“BlueFirePlan”ProgramoftheMinistryofEducationthroughGrantNo.2014-LHJH-HSZX-011.摘要铸锭多晶硅以光电转化效率较高和相对生产成本较低的优势被广泛应用于制备太阳能电池。计算机仿真数值模拟技术可以模拟晶体生长过程，指导工艺实验。本文通过建立元胞自动机与格子Bolzmann(CA-LBM)耦合模型，模拟了铸锭多晶硅晶体的生长过程以及温度场和流场，分析了不同的形核方式、捕获方式以及初始熔体温度对晶体生长的影响。在CA-LBM

4、耦合模型中，CA计算晶体的形核、生长、转化和捕获，LBM计算生长所需的温度场以及熔体中的流场，两者共用一套网格并通过温度场相互耦合，温度场和流场之间通过离散速度和外力源项相互耦合。将建立的模型编制成C++程序进行模拟计算并将计算结果与文献相验证，证明了所建模型的可行性与正确性。在铸锭多晶硅定向凝固过程中，热量从上部向下部扩散，热量不均衡使得熔体产生密度差，从而在熔体中产生的自然对流现象；晶体从底部形核并逐渐向上生长，各个晶粒在生长过程中存在竞争生长现象，八邻居捕获模型相对于四邻居捕获模型更能体现出晶体生长

5、过程中的竞争现象。诱导形核模型相对与随机形核模型所生长的晶体更加均匀；强制对流条件下，熔体内部出现四个流动漩涡。初始熔体温度对晶体生长影响很大，当初始温度较低时，晶体生长所释放的结晶潜热会向晶体和熔体两个方向扩散，晶体生长的速度较大，晶体竞争生长激烈，固液界面形貌为锯齿状，并且温度越低锯齿高度越高；当初始温度较高时，结晶潜热仅向晶体中扩散，晶体生长速度较小，竞争生长相对较弱，固液界面较为平整。关键字：铸锭多晶硅数值模拟元胞自动机格子玻尔兹曼温度场流场IABSTRACTTheingotmulti-cryst

6、allinesiliconhasbeenwidelyusedinthemanufactureofsolarcellswiththeadvantagesofhighphotoelectricconversionrateandrelativelylowproductioncost.Thenumericalsimulationtechniquecansimulatethecrystalgrowthprocessandguidetheprocessexperiment.Inthispaper,thecellula

7、rautomataandlatticeBolzmannmethod(CA-LBM)couplingmodelwasestablished,andthecrystalgrowthprocessofingotmulti-crystallinesilicon,temperaturefieldaswellasflowfieldduringthegrowthofcrystalweresimulated.Theeffectsofdifferentnucleationmethods,capturemodesandini

8、tialsolutiontemperatureonthecrystalwereanalyzed.IntheCA-LBMcouplingmodel,theCAcalculatesthenucleation,growth,captureandtransformationofthecrystal,andtheLBMcalculatesthetemperaturefieldrequiredforgrowthaswellastheflo