Влияние внешних воздействий на процессы тепломассопереноса и механизмы формирования структуры мультикристаллического кремния для солнечной энергетики

Объектом исследований являются методы получения мультикремния для солнечной энергетики.
Цель работы: Разработка и внедрение новых способов выращивания мультикремния с заданными для солнечной энергетики свойствами в технологии прямого получения мультикристаллического кремния из рафинированного металлургического кремния и создание на его основе солнечных элементов. Электрофизические параметры мультикремния зависят от примесного состава и совершенства структуры мультикремния.
В процессе работы проводились расчеты протекающих реакций расплаве кремния на основе минимизации Гиббса, расчеты по сопряженному теплообмену с целью описания тепловых потоков в расплаве и расчеты по массопереносу кремния в тигле на основе уравнений Стокса. Для физического моделирования процессов роста кристалла и режимов барботирования расплава был создан стенд, моделирующий расплав кремния с помощью легкоплавких жидкостей с подобранными коэффициентами вязкости.
Результатом работы стало:
Создана физико-химическая модель химических превращений в расплаве кремния. С ее помощью было установлено, что баботирование расплава увлажненным газом приводит к очистке кремния от бора, фосфора, углерода, железа и других примесей. Были проведены экспериментальные работы по барботированию расплава кремния, которые подтвердили правильность расчетов. По результатам экспериментальных исследований проведена корреляция параметров модели. На основании этих результатах внесены соответствующие изменения в конструкцию создаваемого парогенератора для промышленной очистки кремния.
Разработана физико-математическая модель процессов тепло-массообмена в жидком кремнии в диапазоне геометрических и динамических параметров, соответствующих условиям получения блоков мультикремния в плоскодонных графитовых тиглях. Создан стенд для физического моделирования. Изучена гидродинамика расплава и конвективный теплообмен. Сравнительный анализ процессов кристаллизации в режиме нестационарной теплопроводности и в условиях гравитационно-капиллярной конвекции показал, что конвективные режимы менее производительны, но более технологичны, поскольку способствуют формированию более плоского фронта кристаллизации. Показано, что в режиме вращающегося теплового поля возможно создание контролируемого конвективного тепломассопереноса в расплаве. Реализован принципиально новый подход в практической реализации метода вращающегося теплового поля для выращивания мультикремния высокого качества.
Разработанные физико-химические модели позволяют проанализировать процессы происходящие в кремниевом расплаве, находить оптимальные условия проведения очистки и роста мультикремния для солнечной энергетики. Проведение предварительных расчетов позволяет существенно снизить число необходимых физических экспериментов и вместе с тем дает более значимую, динамическую информацию о процессах происходящих в тигле. Применение предложенных моделей позволит разработать принципиально новые методы получения кремния для солнечной энергетики и существенно сократить затраты материальных средств и времени на разработку технологий.

Физико-химическая модель химических превращений в расплаве кремния. С ее по-мощью было установлено, что баботирование расплава увлажненным газом приводит к очистке кремния от бора, фосфора, углерода, железа и других примесей. Были проведены экспериментальные работы по барботированию расплава кремния, которые подтвердили правильность расчетов. Расчеты по гидродинамике расплава позволили получить более точную картину процессов массопереноса в расплаве что в свою очередь позволило суще-ственно увеличить скорость роста и улучить структуру мультикремния. По результатам экспериментальных исследований проведена корреляция параметров модели. На основа-нии этих результатах внесены соответствующие изменения в конструкцию теплового уз-ла.
Разработана физико-математическая модель процессов тепло-массообмена в жид-ком кремнии в диапазоне соответствующим условиям получения блоков мультикремния в плоскодонных графитовых тиглях. Создан стенд для физического моделирования. Изуче-на гидродинамика расплава и конвективный теплообмен. Сравнительный анализ процес-сов кристаллизации в режиме нестационарной теплопроводности и в условиях гравитаци-онно-капиллярной конвекции показал, что конвективные режимы менее производительны, но более технологичны, поскольку способствуют формированию более плоского фронта кристаллизации. Показано, что в режиме вращающегося теплового поля возможно созда-ние контролируемого конвективного тепломассопереноса в расплаве. Реализован принци-пиально новый подход, в практической реализации, метода вращающегося теплового поля для выращивания мультикремния высокого качества.
В ходе экспериментальных работ были получены 14 слитков мультикремния. Дан-ные, полученные при росте кремния, позволили более точно понять процессы, происхо-дящие в расплаве, и были использованы для корректировки моделей расчетов.
Полученные результаты позволили сформулировать требования, предъявляемые к конструкции теплового узла, используемого для получения мультикристаллического кремния солнечного сорта. На основе этих требований было составлено техническое зада-ние для ОТР по созданию нового метода выращивания мультикристаллического кремния с заданными свойствами
Применение предложенного метода позволит промышленно реализовать техноло-гию прямого получения мультикристаллического кремния из рафинированного метал-лургического кремния, существенно сократить затраты материальных средств и времени при получении кремния для солнечной энергетики.