多晶硅提纯与冷坩埚定向凝固过程的温度场和应力场研究

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1、硕士学位论文多晶硅提纯与冷坩埚定向凝固过程的温度场和应力场研究THESTUDYOFPOLYSILICONPURIFICATIONANDTEMPERATUREFIELDANDSTRESSFIELDDURINGCOLDCRUCIBLEDIRECTIONALSOLIDIFICATION张恒通哈尔滨工业大学2016年6月国内图书分类号：TG24学校代码：10213国际图书分类号：621.74密级：公开工程硕士学位论文多晶硅提纯与冷坩埚定向凝固过程的温度场和应力场研究硕士研究生：张恒通导师：陈瑞润教授申请学位：工程硕士学科：材料工程所在单位：材料科学与工程学院答辩日期：2016年6月授予学

2、位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TG24U.D.C.:621.74DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringTHESTUDYOFPOLYSILICONPURIFICATIONANDTEMPERATUREFIELDANDSTRESSFIELDDURINGCOLDCRUCIBLEDIRECTIONALSOLIDIFICATIONCandidate：ZhangHengtongSupervisor：Prof.ChenRuirunAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpec

3、iality：MaterialsEngineeringSchoolofMaterialsScienceandAffiliation：EngineeringDateofOralExamination：June,2016Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工程硕士学位论文摘要多晶硅作为光伏太阳能产业的主要原料，具有很高的实用价值和广阔的前景。硅电池材料在太阳能发电成本中占据很大的比重，因此提高硅的纯度和使用效率对于提高太阳能电磁的光电转换率进而提高产业的竞争力具有重要的意义。在多晶硅的制备过程

4、中，各种金属和非金属杂质的存在使得多晶硅的电磁转换率降低，故在获得定向凝固的多晶硅组织前，需要对硅原料进行提纯来达到更高的纯度进而获得更好的光电转化率。本文中进行了冶金级硅的真空电弧熔炼并对提纯试样进行X射线荧光光谱分析，真空电弧熔炼对多晶硅内的杂质元素Fe、Al、Mg的有较为明显的去除效果，随着时间的增加，提纯效果得到提升，相同熔炼时间下对试样进行翻转可以进一步提高其提纯效果，而增加电流可以提高提纯的效果但影响较为微弱。创建电磁冷坩埚的3D物理模型并验证，通过ANSYS有限元软件对实验中难以准确测量的冷坩埚内的电磁场、温度场和应力场的数值模拟计算，考察应力与多晶硅硅锭表面裂纹之

5、间的关系，对工艺参数进行优化，并进行冷坩埚定向凝固多晶硅实验进行验证。模拟计算结果表明，随着电流的增加和频率的降低，坩埚内的磁感应强度也不断的增大，满载情况下物料上的磁感应强度主要集中在感应线圈高度的坩埚开缝处并向坩埚壁衰减。在温度场分布中对不同的加热功率和冷却速率进行了数值模拟计算，随着加热电流的增加，在相同的时间下可以达到更高的温度进而获得更好的熔炼效果，同时在熔体内部温度呈现从角缝向坩埚中心逐渐降低的趋势。冷却时熔体的温度场遵循严格的定向凝固，自上而下温度成阶梯状逐渐降低。并进行了温度场测量验证了模拟的可靠性。计算了熔体上冷却热应力的分布情况，并对不同的冷却速率下的定向凝固

6、进行分析，随着冷却速度的增加，硅锭表面的应力差越大，应力集中越明显，其应变数值也越大，并进行定向凝固实验，对不同参数硅锭表面的裂纹进行比较，进行了实验验证，并用优化的工艺参数进行定向凝固多晶硅制备。关键词：电磁冷坩埚；提纯；多晶硅；电磁场；温度场；应力场；I哈尔滨工业大学工程硕士学位论文AbstractPolysiliconasthemainrawmaterialofphotovoltaicsolarenergyindustryhashighpracticalvalueandbroadprospects.Siliconsolarbatterymaterialsoccupyalar

7、geproportioninthecostofsolarpowergeneration.Soitisveryimportanttoimprovethepurityandefficiencyofsilicontoimprovethephotoelectricconversionrateofsolarenergyandimprovethecompetitivenessoftheindustry.Intheprocessofpreparationpolycrystallinesilic