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太阳能级硅是什么?如何仿真模拟高纯度太阳能级硅的生产过程?

发布时间:2021-05-06 点击量:166
  太阳能级硅(Solar-grade silicon)在通信和光伏等应用中越来越受欢迎。虽然跟上这种不断增长的需求很重要,但目前生产太阳能级硅的方法能耗大并且昂贵。为了找到更有效的工艺,JPM Silicon GmbH 的研究人员探索了一种使用微波熔炉的新方法。他们通过仿真模拟了该工艺的内部过程,旨在优化微波熔炉设计,生产低成本的太阳能级硅。
  什么是太阳能级硅?
  高纯度硅有三个等级,每个等级都有不同的应用和特定的纯度要求,太阳能级硅是其中的一个等级:
  冶金级硅纯度为 98%
  太阳能硅纯度为 99.9999%(6N 或“六个 9”)
  电子级硅纯度为 99.9999999%(9N)
  单晶硅的结构。太阳能硅几乎是纯硅。
  太阳能级硅的生产方法比较
  传统上,太阳能级硅是在高温(2000 ℃)下通过还原硅石英和碳进行生产的,硅的纯度为 98.5%。但这还不够纯,不能被认为是太阳能级的,所以硅必须通过气相进一步提纯。由于该工艺包含多个步骤和不同的过程,因此这种方法的效率不高,而且也比较耗能和昂贵,并需要有经验的操作员。
  JPM 的分析方法是从高纯度的原材料开始。将硅放入无污染的微波熔炉中,进行传统生产过程中的加热和气相阶段。由于没有连续的优化过程,这种方法更加高效和经济。
  微波熔炉的设置。 N. Rezaii 和 JP Mai 拍摄,摘自他们在 COMSOL 用户年会 慕尼黑会议上发表的论文。
  微波熔炉由五部分组成:
  磁控管芯,产生电磁微波
  波导,将微波传输到谐振器中
  谐振器(也称为反应室),包括一个盛装硅样品的坩埚
  调谐器,可以改善微波的吸收
  循环器,通过使用水浴来消散反射微波能量,防止磁控管过热
  优化微波熔炉设计的一个优点是减少热量损失。这是由于它可以选择性加热,只加热特定体积内的材料,从而导致从内到外的温度下降。此外,由于熔炉的升温时间更快,停留时间更短,所以硅杂质的扩散更少。
  为了优化生产太阳能级硅的微波熔炉,JPM 公司使用 COMSOL 软件研究了其内部过程。
  使用COMSOL Multiphysics模拟微波熔炉生产太阳能硅
  研究小组使用 COMSOL 软件建立了他们的模型,用于模拟微波熔炉内发生的电磁、化学和物理现象。由于一些材料具有与温度密切相关的电磁特性,因此该模型将电磁场分布和温度场耦合在一起。
  您可以通过阅读完整的会议论文来了解有关模型设置的更多信息 用于提高太阳能级硅的生产效率的微波熔炉的多物理场仿真。(点击原文查看论文链接)
  为了避免不必要的反应,在微波熔炉中使用化学稳定的结构材料和惰性气体是很重要的。此外,绝热材料必须能有效减少热量损失。
  电磁强度和分布
  研究小组使用RF模块模拟谐振器和硅样品中的电磁强度和分布。他们用麦克斯韦方程组确定微波辐射的传播。
  波导端口高度处的电场高于反应室的任何其他部分。坩埚中心的磁场增强表明这是加热坩埚的最佳位置,如下图所示。
  谐振器和波导中的电场分布。由 N.Rezaii 和 JP Mai 提供,摘自他们在 COMSOL 用户年会 2016 慕尼黑会议上发表的论文。
  研究人员还希望了解隔热板高度的变化如何影响熔炉的运行。他们测试了板的三个不同高度(坩埚位于板的顶部),并重新检查了电场。绝缘板高度包括:
  30 mm
  40 mm
  50 mm
  绝缘板高度为 30mm(左)、40mm(中)和 50mm(右)时的电场分布。由 N. Rezaii 和 J.P. Mai 提供,摘自他们在慕尼黑会议上的论文。
  仿真结果表明,40mm 绝缘板的性能最好。电场集中在坩埚的中心,因此集中在硅样品上。
  气体流速分布
  研究人员使用 CFD 模块求解了 Navier-Stokes 方程,得到了气体流速分布。气体从入口流过硅样品的表面,速度不均匀。然后,器壁将气流转向出口。仿真结果显示,在波导端口附近以及在顶壁和底壁附近仅存在少量的气流。
  谐振器中的气体速度分布。由 N. Rezaii 和 J.P. Mai 提供,来自他们的慕尼黑 COMSOL 会议海报。
  热分布
  为了分析电磁波对硅样品的加热程度,研究小组检查了谐振器中的热分布。他们的模型包括计算固体和液体(普朗克辐射定律)以及气体(Stefan-Boltzmann定律)的传导、对流和辐射的强制热方程。用RF模块计算出的耗散热量被用作体积热源。用CFD模块计算的气体速度分布有助于发现对流热损失。
  正如电磁学研究所预期的那样,谐振器中最热的点在坩埚的中心。此外,由于具有较低的热导率,周围的绝缘层不会发热。
  谐振器中的热量分布。由 N. Rezaii 和 JP Mai 提供,来自 他们的慕尼黑会议海报。

  通过深入了解微波熔炉的内部过程,JPM 公司的研究人员为高效的太阳能硅生产奠定了基础。

转载:互联网

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