采用模擬和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，研究了真空定向凝固系統(tǒng)中爐內(nèi)底部保溫層結(jié)構(gòu)對(duì)多晶硅溫度場(chǎng)及凝固過程中固-液界面的影響，對(duì)比了底部保溫層為開口、半封閉與全封閉3 種情況下的溫度分布及凝固情況。模擬的結(jié)果表明，在底部保溫層全封閉時(shí)，熱區(qū)的輻射加熱效果加強(qiáng)，同時(shí)也增加了冷區(qū)的散熱效果，使坩堝中的硅料溫度梯度增大。在此基礎(chǔ)上，建立了不需要進(jìn)行坩堝底部水冷換熱的凝固系統(tǒng)，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析基本一致，說明可以通過調(diào)節(jié)爐內(nèi)裝置來優(yōu)化多晶硅的真空定向凝固系統(tǒng)，對(duì)該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化起到指導(dǎo)與參考作用。

　　傳統(tǒng)能源的過度使用導(dǎo)致其日益枯竭并且價(jià)格不斷升高，給商業(yè)、交通和金融等行業(yè)帶來了一連串的問題。太陽(yáng)能作為一種可再生的綠色能源，自然成為了人們開發(fā)和研究的焦點(diǎn)。最近幾年，隨著太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)的深入發(fā)展，多晶硅由于生產(chǎn)成本較低，產(chǎn)量大，已經(jīng)成為了晶體硅太陽(yáng)能電池的主流材料。

　　定向凝固技術(shù)是冶金法制備多晶硅工藝路線中最為關(guān)鍵的一步。從產(chǎn)品質(zhì)量上看，多晶硅錠晶粒和形狀的控制在很大程度上取決于定向凝固的鑄錠工藝過程，即晶體生長(zhǎng)過程中的溫度分布、凝固過程、固-液界面形狀等; 從能源、成本上考慮，進(jìn)一步減少定向凝固過程中能量的消耗是有效降低多晶硅制造成本的有效途徑。所以，優(yōu)化設(shè)計(jì)多晶硅定向凝固系統(tǒng)內(nèi)的各項(xiàng)工藝參數(shù)，控制結(jié)晶時(shí)的熱場(chǎng)散熱情況以及熱源熱量分布情況等，成為了當(dāng)前研究的重點(diǎn)。但由于多晶硅錠制備過程中一些數(shù)據(jù)很難通過直接測(cè)量獲得，即使通過反復(fù)試驗(yàn)獲得，也存在周期較長(zhǎng)，成本開銷較大等問題。

　　因此，眾多的研究者采用數(shù)值模擬的方法來研究?jī)?yōu)化多晶硅定向凝固生長(zhǎng)過程。Ma 等對(duì)工業(yè)生產(chǎn)多晶硅的定向凝固爐進(jìn)行了熱場(chǎng)、固-液界面及流場(chǎng)的模擬，分析了如何減少C、O 雜質(zhì)，提高晶體質(zhì)量，加強(qiáng)能量利用效率。Chen 等應(yīng)用數(shù)值仿真優(yōu)化了多晶硅定向凝固過程的功率消耗。Wei 等對(duì)整個(gè)定向凝固系統(tǒng)進(jìn)行了模擬優(yōu)化，得到了爐內(nèi)及硅料的溫度分布，并對(duì)熱損失情況作了比較。Shur 等通過數(shù)值模擬的方法對(duì)定向凝固系統(tǒng)的熱交換管路進(jìn)行了改造，使多晶硅生長(zhǎng)獲得更好的熱場(chǎng)條件，并且通過實(shí)驗(yàn)得到了驗(yàn)證。本文以實(shí)驗(yàn)室的真空定向凝固爐為原型，對(duì)其熱場(chǎng)及固-液界面進(jìn)行了模擬仿真，通過改變爐內(nèi)熱區(qū)底部保溫層結(jié)構(gòu)和坩堝底部的散熱裝置控制多晶硅的定向凝固過程，減少在長(zhǎng)晶過程中對(duì)系統(tǒng)水冷熱交換塊的依賴，達(dá)到節(jié)能降耗、簡(jiǎn)化爐型的目的。

1、模型及參數(shù)設(shè)置

　　1.1、系統(tǒng)模型

　　本文采用常用的多晶硅鑄錠爐進(jìn)行研究。鑄錠爐的物理模型采用簡(jiǎn)化的二維軸對(duì)稱模型，如圖1所示。加熱室是多晶硅鑄錠爐的心臟，其內(nèi)裝有石墨加熱器、坩堝、硅料、熱交換塊和保溫層等。石墨加熱器提供熱源，關(guān)閉爐膛后抽真空進(jìn)行加熱，待硅料完全熔化后，通過熱交換塊與石墨坩堝的下移在硅料中形成一個(gè)豎直的溫度梯度，使硅料從坩堝的底部開始凝固，并且逐漸向上生長(zhǎng)。

圖1 定向凝固裝置簡(jiǎn)圖

　　在凝固過程中，雖然坩堝的下拉速率、熱交換塊的冷卻速率及石墨加熱器的功率都會(huì)對(duì)硅料產(chǎn)生影響，但是這些工藝參數(shù)都能較方便的進(jìn)行調(diào)控。本文著重考察保溫層的幾何結(jié)構(gòu)對(duì)凝固過程中熱場(chǎng)及固-液界面的影響，提出通過改變保溫層的幾何結(jié)構(gòu)來控制晶體生產(chǎn)過程，減少該系統(tǒng)對(duì)熱交換塊的依賴，省去了凝固過程中因底部進(jìn)行水冷循環(huán)熱交換所產(chǎn)生的功率消耗，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

3、結(jié)論

　　由數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)的結(jié)果可以看出，通過改變多晶硅真空定向凝固爐內(nèi)的底部保溫條件可以調(diào)節(jié)爐內(nèi)的溫度場(chǎng)及多晶硅凝固時(shí)的固- 液界面。當(dāng)?shù)撞勘�溫層封閉時(shí)，加熱器能夠更為集中的對(duì)熱區(qū)內(nèi)的坩堝進(jìn)行供熱，而移出熱區(qū)的坩堝壁面不再接收加熱器的輻射供熱，反而是加強(qiáng)了散熱。這就使坩堝中的硅料在豎直方向上建立起更大的溫度梯度;同時(shí)，在底部保溫層封閉的條件下，坩堝底部不需要進(jìn)行水冷換熱就能達(dá)到晶體凝固的效果，且可以通過調(diào)節(jié)爐內(nèi)的幾何尺寸來控制溫度場(chǎng)及晶體凝固情況，不僅節(jié)約了水冷換熱循環(huán)泵消耗的電能，還簡(jiǎn)化了該定向凝固系統(tǒng)，使系統(tǒng)自身的能量利用率提高。