多物理场耦合下多晶硅定向生长的瞬态数值模拟研究
发布时间：2021-01-18 14:01
太阳能是一种理想的可再生能源,因其清洁无污染、可应用范围广等特点而得到广泛的应用。多晶硅目前普遍地应用于太阳能光伏产业,是一种重要的光伏产业基础材料,其铸锭的质量较大的影响着太阳能电池的光电转换效率。定向凝固法是目前常见的高质量多晶硅的生产方法,且能节约生产成本。本研究基于定向凝固系统法生产多晶硅的原理,通过有限元建模分析软件,构建多晶硅定向凝固过程的数值仿真模型。本模型耦合了热场、流场、浓度场及磁场等多物理场,以传热传质、流体动力学等理论为研究基础。本论文主要研究外加磁场对多晶硅长晶过程的影响。研究发现,当外加磁场为垂直磁场时,磁场强度对多晶硅的结晶过程有较大的影响。增大垂直磁场的磁场强度对熔体对流的抑制作用增强,有利于减少熔体中的下部环流的尺寸,从而减少硅锭中的氧杂质含量;然而磁场强度增大使得在结晶100分钟后熔体与晶体之间的固-液界面的偏移度增大。当外加磁场为勾形磁场时,磁场分布对多晶硅的结晶过程有较大的影响。勾形磁场的上、下部磁场会切的位置的磁场强度较小,当磁场的会切位置位于硅域的下部时,硅域的上部处磁场强度较大,对上部熔体的对流的抑制较强;当磁场会切位置位于硅域上部时,硅域的...
【文章来源】：南昌大学江西省 211工程院校
【文章页数】：92 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图２．１热量传递示意图??
?在没有其他外部条件（如坩埚旋转或磁场的影响等）的影响下，硅熔体的对??流主要由浮力流产生的自然对流而引起。硅熔体在层流状态下流动时的流动数??据可以由Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程求解，这些求解方程包括质量守恒的连续性方程、??动量守恒方程和能量守恒方程。??流体质量传递的过程中遵守质量守恒，其基本思想为质量不能凭空被创建??或消灭，因此质量只能在某一系统中传递。质量传递所遵守的规律如下：??质量变化＝Ｉ：流入质量－?Ｓ流出质量??从二维角度来说，单位流体中发生的质量传递可以由图２．２表示，可以看出，??通过单位面积的流出质量与单位面积内质量以及该单位面积流入质量相关。??ｄ（ｐｖ）?＇１??ｐｖ＋Ｓ７－＾ｙＡａｒ??：?Ｊ?．??；ｍｉ?ｉ??？?ｉ??？?ｉ???１?？??ｐｕＡｙ?１?－＾—ＡｘＡｙ?ｉ?Ａ?１Ａ??１１??????ｐｖＡｘ??图２．２质量传递示意图??质量守恒方程如下：??＾?＋?Ｖ－（ｐｕ）?＝?０?（２．２１）??ｏｔ??其中表示密度，单位为ｋｇ／ｍ３；Ｈ是流体的速度向量，单位：ｍ／ｓ。??流体流动的过程中遵守动量守恒。基于牛顿第二定律来考虑，动量守恒可以??表示如下??［动量的变化ｊ?＝?Ｅ流入的动量－?５：流出的动量＋?Ｅ作用力??可以看出，流体流动的过程中动量的变化主要与流入和流出的动量以及作??１７??
??第二章多晶硅定向凝固过程中的多物理场数学模型???用力相关。其中作用力可以是体积力，也可以是表面力。在三维空间中，动量守??恒发生在每一个方向，为了方便描述，在此将发生在Ｘ轴方向的单位体积内的动??量守恒过程示意图表示为如图２．３所示，其中图（ａ）表示ｘ方向的动量变化，图（ｂ）??表示作用力（表面力）的变化。??⑷（ＰＭｉ；＋专２矽卜?０５）卜＋每妙）＆??４?丨…．－???？??？丨＿?｜?［（心竽＋?７丨＿丨????Ｉ?ｔ?■■丨丨丨?＿?＇??；???——＞？?＾????丨吵Ｕ）Ａ?Ａ?：?；??！?－ＪＴ＾?：?！漏ｙ?ｉ??１?．．Ｉ??－１??，．彳４、?｛．？?？＇．?＇?４?；?？＇Ｃｊ??图２．３动量守恒示意图??动量守恒方程如下：??ｄ＇Ｕ?ｒ?４?４??ｐ—＋?ｐ（ｕ－Ｖ）ｕ?＝?Ｖ?－?Ｔ－ｐ／?＋?ｔ?＋Ｆ?（２．２２）??ｏｔ??其中／？是压力，单位为Ｐａ；?ｒ是粘性应力张量，单位为Ｐａ；?Ｐ是体积力向??量，单位为Ｎ／ｍ３。??当流体中存在非等温流动时，还应考虑流体中的能量守恒。能量守恒与能量??的传递有关，可以表示为如下形式：??能量积累速率＝传导或对流传递的净能量＋内部发热??－流体传递到周围的净功??能量守恒方程如下：??ｐＣｐ（＾?＋?（ｕ－Ｖ）ｒ）?＝?－（Ｖ－ｑ）?＋?ｒ：５－＾｜ｐ（＾＋（ｕ－Ｖ）ｐ）?＋?（？?（２．２３）??其中Ｇ是恒压热容，单位为Ｊ／（ｋｇＸ）；?￥是热通量向量，单位为Ｗ／ｍ３；左是??应变率张量，且存在以下关系：??５?＝?＾?（Ｖｗ?＋?（Ｖｕ）Ｔ）?（２．２
【参考文献】：
期刊论文
[1]铸锭炉改进对多晶硅固-液界面影响的数值模拟[J]. 宋伯韬,罗玉峰,饶森林,张发云,胡云. 特种铸造及有色合金. 2019(04)
[2]磁场作用下硅晶体生长的应用研究现状[J]. 饶森林,张发云,罗玉峰,熊含梦,李云明,胡云,章娟. 铸造技术. 2019(02)
[3]多晶硅铸锭生长过程热应力与位错的数值模拟研究[J]. 王晨东,左然,苏文佳. 人工晶体学报. 2018(05)
[4]多晶硅晶体生长中固-液界面研究进展[J]. 张发云,饶森林,王发辉,龚洪勇,胡云,陈小会,刘俊. 人工晶体学报. 2017(10)
[5]坩埚厚度对多晶硅定向凝固的影响[J]. 刘志辉,罗玉峰,饶森林,胡云,龚洪勇,刘杰. 热加工工艺. 2017(11)
[6]多晶硅铸锭过程中行波磁场作用下的传热流动特性研究[J]. 李早阳,刘立军,邵玥,周根树. 工程热物理学报. 2016(06)
[7]定向凝固多晶硅铸锭炉石英坩埚的改进与热场优化[J]. 陆晓东,张鹏,吴元庆,赵洋,王泽来,周涛,边玉强. 人工晶体学报. 2015(11)
[8]非均匀热场条件下多晶硅定向凝固研究[J]. 朱徐立,洪永强. 人工晶体学报. 2015(08)
[9]多晶硅冷却过程中入口流速及隔热底板运动对硅锭内热应力影响[J]. 王森,张全江,田俊,方海生. 中国科技论文. 2015(11)
[10]磁场在晶体生长中的应用[J]. 狄晨莹,左然,苏文佳. 材料导报. 2014(13)
硕士论文
[1]磁场控制定向凝固法多晶硅传热传质数值模拟研究[D]. 牛文清.江苏大学 2018
[2]多场作用下多晶硅定向生长的研究[D]. 刘志辉.南昌大学 2017
本文编号：2985076
【文章来源】：南昌大学江西省 211工程院校
【文章页数】：92 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图２．１热量传递示意图??
?在没有其他外部条件（如坩埚旋转或磁场的影响等）的影响下，硅熔体的对??流主要由浮力流产生的自然对流而引起。硅熔体在层流状态下流动时的流动数??据可以由Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程求解，这些求解方程包括质量守恒的连续性方程、??动量守恒方程和能量守恒方程。??流体质量传递的过程中遵守质量守恒，其基本思想为质量不能凭空被创建??或消灭，因此质量只能在某一系统中传递。质量传递所遵守的规律如下：??质量变化＝Ｉ：流入质量－?Ｓ流出质量??从二维角度来说，单位流体中发生的质量传递可以由图２．２表示，可以看出，??通过单位面积的流出质量与单位面积内质量以及该单位面积流入质量相关。??ｄ（ｐｖ）?＇１??ｐｖ＋Ｓ７－＾ｙＡａｒ??：?Ｊ?．??；ｍｉ?ｉ??？?ｉ??？?ｉ???１?？??ｐｕＡｙ?１?－＾—ＡｘＡｙ?ｉ?Ａ?１Ａ??１１??????ｐｖＡｘ??图２．２质量传递示意图??质量守恒方程如下：??＾?＋?Ｖ－（ｐｕ）?＝?０?（２．２１）??ｏｔ??其中表示密度，单位为ｋｇ／ｍ３；Ｈ是流体的速度向量，单位：ｍ／ｓ。??流体流动的过程中遵守动量守恒。基于牛顿第二定律来考虑，动量守恒可以??表示如下??［动量的变化ｊ?＝?Ｅ流入的动量－?５：流出的动量＋?Ｅ作用力??可以看出，流体流动的过程中动量的变化主要与流入和流出的动量以及作??１７??
??第二章多晶硅定向凝固过程中的多物理场数学模型???用力相关。其中作用力可以是体积力，也可以是表面力。在三维空间中，动量守??恒发生在每一个方向，为了方便描述，在此将发生在Ｘ轴方向的单位体积内的动??量守恒过程示意图表示为如图２．３所示，其中图（ａ）表示ｘ方向的动量变化，图（ｂ）??表示作用力（表面力）的变化。??⑷（ＰＭｉ；＋专２矽卜?０５）卜＋每妙）＆??４?丨…．－???？??？丨＿?｜?［（心竽＋?７丨＿丨????Ｉ?ｔ?■■丨丨丨?＿?＇??；???——＞？?＾????丨吵Ｕ）Ａ?Ａ?：?；??！?－ＪＴ＾?：?！漏ｙ?ｉ??１?．．Ｉ??－１??，．彳４、?｛．？?？＇．?＇?４?；?？＇Ｃｊ??图２．３动量守恒示意图??动量守恒方程如下：??ｄ＇Ｕ?ｒ?４?４??ｐ—＋?ｐ（ｕ－Ｖ）ｕ?＝?Ｖ?－?Ｔ－ｐ／?＋?ｔ?＋Ｆ?（２．２２）??ｏｔ??其中／？是压力，单位为Ｐａ；?ｒ是粘性应力张量，单位为Ｐａ；?Ｐ是体积力向??量，单位为Ｎ／ｍ３。??当流体中存在非等温流动时，还应考虑流体中的能量守恒。能量守恒与能量??的传递有关，可以表示为如下形式：??能量积累速率＝传导或对流传递的净能量＋内部发热??－流体传递到周围的净功??能量守恒方程如下：??ｐＣｐ（＾?＋?（ｕ－Ｖ）ｒ）?＝?－（Ｖ－ｑ）?＋?ｒ：５－＾｜ｐ（＾＋（ｕ－Ｖ）ｐ）?＋?（？?（２．２３）??其中Ｇ是恒压热容，单位为Ｊ／（ｋｇＸ）；?￥是热通量向量，单位为Ｗ／ｍ３；左是??应变率张量，且存在以下关系：??５?＝?＾?（Ｖｗ?＋?（Ｖｕ）Ｔ）?（２．２
【参考文献】：
期刊论文
[1]铸锭炉改进对多晶硅固-液界面影响的数值模拟[J]. 宋伯韬,罗玉峰,饶森林,张发云,胡云. 特种铸造及有色合金. 2019(04)
[2]磁场作用下硅晶体生长的应用研究现状[J]. 饶森林,张发云,罗玉峰,熊含梦,李云明,胡云,章娟. 铸造技术. 2019(02)
[3]多晶硅铸锭生长过程热应力与位错的数值模拟研究[J]. 王晨东,左然,苏文佳. 人工晶体学报. 2018(05)
[4]多晶硅晶体生长中固-液界面研究进展[J]. 张发云,饶森林,王发辉,龚洪勇,胡云,陈小会,刘俊. 人工晶体学报. 2017(10)
[5]坩埚厚度对多晶硅定向凝固的影响[J]. 刘志辉,罗玉峰,饶森林,胡云,龚洪勇,刘杰. 热加工工艺. 2017(11)
[6]多晶硅铸锭过程中行波磁场作用下的传热流动特性研究[J]. 李早阳,刘立军,邵玥,周根树. 工程热物理学报. 2016(06)
[7]定向凝固多晶硅铸锭炉石英坩埚的改进与热场优化[J]. 陆晓东,张鹏,吴元庆,赵洋,王泽来,周涛,边玉强. 人工晶体学报. 2015(11)
[8]非均匀热场条件下多晶硅定向凝固研究[J]. 朱徐立,洪永强. 人工晶体学报. 2015(08)
[9]多晶硅冷却过程中入口流速及隔热底板运动对硅锭内热应力影响[J]. 王森,张全江,田俊,方海生. 中国科技论文. 2015(11)
[10]磁场在晶体生长中的应用[J]. 狄晨莹,左然,苏文佳. 材料导报. 2014(13)
硕士论文
[1]磁场控制定向凝固法多晶硅传热传质数值模拟研究[D]. 牛文清.江苏大学 2018
[2]多场作用下多晶硅定向生长的研究[D]. 刘志辉.南昌大学 2017
本文编号：2985076
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