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    海南奧普佳新能源有限公司

    公司簡介

    太陽能級硅是什么?如何仿真模擬高純度太陽能級硅的生產過程?

    發布時間:2021-05-06 點擊量:565
      太陽能級硅(Solar-grade silicon)在通信和光伏等應用中越來越受歡迎。雖然跟上這種不斷增長的需求很重要,但目前生產太陽能級硅的方法能耗大并且昂貴。為了找到更有效的工藝,JPM Silicon GmbH 的研究人員探索了一種使用微波熔爐的新方法。他們通過仿真模擬了該工藝的內部過程,旨在優化微波熔爐設計,生產低成本的太陽能級硅。
      什么是太陽能級硅?
      高純度硅有三個等級,每個等級都有不同的應用和特定的純度要求,太陽能級硅是其中的一個等級:
      冶金級硅純度為 98%
      太陽能硅純度為 99.9999%(6N 或“六個 9”)
      電子級硅純度為 99.9999999%(9N)
      單晶硅的結構。太陽能硅幾乎是純硅。
      太陽能級硅的生產方法比較
      傳統上,太陽能級硅是在高溫(2000 ℃)下通過還原硅石英和碳進行生產的,硅的純度為 98.5%。但這還不夠純,不能被認為是太陽能級的,所以硅必須通過氣相進一步提純。由于該工藝包含多個步驟和不同的過程,因此這種方法的效率不高,而且也比較耗能和昂貴,并需要有經驗的操作員。
      JPM 的分析方法是從高純度的原材料開始。將硅放入無污染的微波熔爐中,進行傳統生產過程中的加熱和氣相階段。由于沒有連續的優化過程,這種方法更加高效和經濟。
      微波熔爐的設置。 N. Rezaii 和 JP Mai 拍攝,摘自他們在 COMSOL 用戶年會 慕尼黑會議上發表的論文。
      微波熔爐由五部分組成:
      磁控管芯,產生電磁微波
      波導,將微波傳輸到諧振器中
      諧振器(也稱為反應室),包括一個盛裝硅樣品的坩堝
      調諧器,可以改善微波的吸收
      循環器,通過使用水浴來消散反射微波能量,防止磁控管過熱
      優化微波熔爐設計的一個優點是減少熱量損失。這是由于它可以選擇性加熱,只加熱特定體積內的材料,從而導致從內到外的溫度下降。此外,由于熔爐的升溫時間更快,停留時間更短,所以硅雜質的擴散更少。
      為了優化生產太陽能級硅的微波熔爐,JPM 公司使用 COMSOL 軟件研究了其內部過程。
      使用COMSOL Multiphysics模擬微波熔爐生產太陽能硅
      研究小組使用 COMSOL 軟件建立了他們的模型,用于模擬微波熔爐內發生的電磁、化學和物理現象。由于一些材料具有與溫度密切相關的電磁特性,因此該模型將電磁場分布和溫度場耦合在一起。
      您可以通過閱讀完整的會議論文來了解有關模型設置的更多信息 用于提高太陽能級硅的生產效率的微波熔爐的多物理場仿真。(點擊原文查看論文鏈接)
      為了避免不必要的反應,在微波熔爐中使用化學穩定的結構材料和惰性氣體是很重要的。此外,絕熱材料必須能有效減少熱量損失。
      電磁強度和分布
      研究小組使用RF模塊模擬諧振器和硅樣品中的電磁強度和分布。他們用麥克斯韋方程組確定微波輻射的傳播。
      波導端口高度處的電場高于反應室的任何其他部分。坩堝中心的磁場增強表明這是加熱坩堝的最佳位置,如下圖所示。
      諧振器和波導中的電場分布。由 N.Rezaii 和 JP Mai 提供,摘自他們在 COMSOL 用戶年會 2016 慕尼黑會議上發表的論文。
      研究人員還希望了解隔熱板高度的變化如何影響熔爐的運行。他們測試了板的三個不同高度(坩堝位于板的頂部),并重新檢查了電場。絕緣板高度包括:
      30 mm
      40 mm
      50 mm
      絕緣板高度為 30mm(左)、40mm(中)和 50mm(右)時的電場分布。由 N. Rezaii 和 J.P. Mai 提供,摘自他們在慕尼黑會議上的論文。
      仿真結果表明,40mm 絕緣板的性能最好。電場集中在坩堝的中心,因此集中在硅樣品上。
      氣體流速分布
      研究人員使用 CFD 模塊求解了 Navier-Stokes 方程,得到了氣體流速分布。氣體從入口流過硅樣品的表面,速度不均勻。然后,器壁將氣流轉向出口。仿真結果顯示,在波導端口附近以及在頂壁和底壁附近僅存在少量的氣流。
      諧振器中的氣體速度分布。由 N. Rezaii 和 J.P. Mai 提供,來自他們的慕尼黑 COMSOL 會議海報。
      熱分布
      為了分析電磁波對硅樣品的加熱程度,研究小組檢查了諧振器中的熱分布。他們的模型包括計算固體和液體(普朗克輻射定律)以及氣體(Stefan-Boltzmann定律)的傳導、對流和輻射的強制熱方程。用RF模塊計算出的耗散熱量被用作體積熱源。用CFD模塊計算的氣體速度分布有助于發現對流熱損失。
      正如電磁學研究所預期的那樣,諧振器中最熱的點在坩堝的中心。此外,由于具有較低的熱導率,周圍的絕緣層不會發熱。
      諧振器中的熱量分布。由 N. Rezaii 和 JP Mai 提供,來自 他們的慕尼黑會議海報。

      通過深入了解微波熔爐的內部過程,JPM 公司的研究人員為高效的太陽能硅生產奠定了基礎。

    轉載:互聯網

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