多晶硅铸锭炉热场研究及数值模拟

论文摘要

多晶硅铸锭炉是用于铸造大型多晶硅锭的设备,它是将硅料高温熔融后通过定向凝固冷凝结晶,使其形成晶向一致的硅锭,从而达到太阳能电池生产对硅片品质的要求。热场是指多晶硅铸锭炉加热系统中的温度分布,它对多晶硅晶体的生长至关重要:晶体的冷却过程、固液界面的形状、晶体中的热应力分布等都是由生长过程中晶体中的温度场和温度梯度分布所决定的,因此,本文对多晶硅铸锭炉的热场进行了重点研究。主要研究工作如下:1、研究了多晶硅铸锭炉定向凝固过程中的热传输及减压工艺过程。对热场中的加热器进行了优化设计,确定了加热器的材料、结构形状和几何尺寸,同时对水冷电极的结构形式进行了优化探讨。2、提出了隔热屏的技术解决方案。对隔热屏材料和结构方式进行了分析,采用有限差分法得到了隔热屏内温度分布图。3、研究并设计了真空加热室的结构形式和几何尺寸。作为多晶硅铸锭炉的心脏部分,真空加热室的合理设计是热场安全可靠的重要保障。4、研究了长晶过程中晶体和熔体中的温度分布、固液界面的温度场,并对晶体的凝固过程进行了数值模拟。对优化设计后的热场对多晶硅晶体生长的影响进行了系统的理论分析和试验验证。

论文目录

• 目录
• 图表目录
• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.1.1 晶体硅材料发展现状
• 1.1.2 硅锭的制备方法
• 1.1.3 多晶硅锭的制备
• 1.2 多晶硅铸锭的原理和工艺
• 1.2.1 定向凝固法铸造多晶硅的原理
• 1.2.2 定向凝固铸造多晶的工艺过程
• 1.3 多晶硅锭中的杂质和缺陷
• 1.3.1 多晶硅锭中的杂质
• 1.3.2 多晶硅锭中的缺陷
• 1.4 有限元法在晶体生长中的应用
• 1.4.1 有限元法简介
• 1.4.2 有限元法求解步骤
• 1.5 课题研究的主要内容
• 第二章 热场
• 2.1 定向凝固铸造多晶过程中的热传输
• 2.1.1 炉体内热量传输的基本规律
• 2.1.2 与周围环境发生热量交换的基本规律
• 2.1.3 边界条件
• 2.1.4 结晶潜热
• 2.2 多晶铸锭的减压工艺
• 第三章 加热器的优化
• 3.1 加热方式分析
• 3.2 加热器材料的分析及结构选择
• 3.2.1 加热器材料选择
• 3.2.2 加热器结构选择
• 3.3 加热器的设计
• 3.3.1 石墨加热器的设计计算
• 3.3.2 加热器表面负荷校核
• 3.3.3 石墨加热器的应力校核
• 3.3.4 变压器确定
• 3.3.5 水冷电极的设计
• 3.3.6 石墨加热器的应用效果
• 第四章 隔热屏的研究
• 4.1 隔热屏材料的分析及选择
• 4.2 隔热屏的设计
• 4.2.1 确定隔热屏的厚度
• 4.2.2 隔热屏的结构设计
• 4.3 隔热屏内的温度分布
• 第五章 真空加热室的设计
• 5.1 简体的设计
• 5.1.1 计算筒体内壁厚度
• 5.1.2 圆筒炉壳水压试验时内壁应力校核
• 5.1.3 计算筒体外壁厚度
• 5.1.4 外壁应力校核
• 5.2 封头的设计
• 5.2.1 计算内壁封头厚度
• 5.2.2 计算外壁封头厚度
• 5.3 炉壳顶部平盖的设计
• 5.3.1 平盖厚度的确定
• 5.3.2 平盖冷却水道的设计
• 5.4 真空炉室其它部件的设计
• 5.4.1 观察窗的设计
• 5.4.2 其它部件的设计
• 第六章 热场的数值模拟
• 6.1 晶体和熔体中的温度分布
• 6.2 固液界面的温度场
• 6.3 凝固过程的数值模拟
• 6.3.1 数学模型
• 6.3.2 计算求解流程
• 6.3.3 计算结果
• 6.3.4 实验结果比较
• 6.4 分析与讨论
• 6.4.1 固液界面的影响
• 6.4.2 位错的分布
• 第七章 结论与展望
• 7.1 主要结论和研究成果
• 7.2 课题研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录 攻读硕士期间发表的论文及申请的专利