籽晶辅助多晶硅定向凝固生长初期晶体缺陷形成与控制研究

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项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    51861023
  • 项目类别:
    地区科学基金项目
  • 资助金额:
    39.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    E0102.金属材料制备与加工
  • 结题年份:
    2022
  • 批准年份:
    2018
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2019-01-01 至2022-12-31

项目摘要

Multicrystalline silicon (mc-Si) solar cell has occupied the mainstream of the photovoltaic market, but its photoelectric conversion efficiency is lower than that of monocrystalline silicon solar cell due to the crystal defects. Seed-assisted directional solidification is the major technique to control the defects of mc-Si at present. Experimentally, it has been demonstrated that the key point of this technique is to control the nucleation and crystal defect formation in the earlier stage of silicon solidification. In this proposed project, molecular dynamics simulations will be performed to investigate the nucleation and crystal defect formation in the earlier stage of seed-assisted directional solidification of mc-Si. The atomic mechanism of the nucleation and the crystal defects, such as grain boundaries, twin boundaries and dislocations, will be explored with different growth conditions, such as seeds, temperatures, and stress/strain conditions; the effects of these growth conditions on the nucleation and crystal defect formation in mc-Si will be discussed. On basis of these works, the laws and conditions for the nucleation and defect formation in the earlier stage of seed-assisted directional solidification will be proposed, and an effective method for controlling crystal defects will be suggested, followed by experimental verification. The present project is innovative in both the objectives and the methodology. The expected results will supply information for the theories of solidification and crystal defect at atomic scale, and the results will be of great importance to improve the quality of quasi-crystalline silicon and high performance multicrystalline silicon, which are both cast with the seed-assisted directional solidification method, and hence their photovoltaic performance.
占据市场主流的多晶硅太阳能电池因晶体缺陷的影响,其光电转换效率比单晶硅太阳能电池的效率要低。籽晶辅助定向凝固生长是目前控制多晶硅晶体缺陷的主要技术手段,实验上已证实该技术的关键是控制凝固初期晶核和晶体缺陷的形成。本项目运用分子动力学方法,就籽晶辅助多晶硅定向凝固生长过程中的形核和生长初期晶体缺陷的形成进行模拟研究。探索不同籽晶、温度、应力/应变等生长工艺条件下多晶硅晶核形成的原子机制,凝固生长初期晶界、孪晶界和位错等缺陷结构的形成机制;探讨籽晶、温度、应力/应变等生长工艺条件对多晶硅凝固形核和晶体缺陷形成的影响;在此基础上归纳籽晶辅助多晶硅定向凝固生长时形核和缺陷形成的规律与条件,提出对籽晶辅助多晶硅凝固生长初期晶体缺陷的有效控制方法并加以实验验证。本项目在方法和内容上均有创新,研究成果为凝固和缺陷理论提供信息补充,对提高籽晶辅助生长的准单晶硅和高效多晶硅的质量及其光伏性能有重要意义。

结项摘要

光伏市场上的两个主流产品—铸造单晶硅和高效多晶硅都是采用籽晶辅助定向凝固生长技术。该技术的关键是控制凝固初期晶核和晶体缺陷的形成,而实验上无法对其进行在线分析检测。本项目运用分子动力学方法,就籽晶辅助多晶硅定向凝固生长过程中的形核和生长初期晶体缺陷的形成进行模拟,并辅助物理实验进行研究。结果发现:.(1)不同温度下硅熔体均匀形核呈现出两种模式:高温自发形核模式和低温发散形核模式。存在形核率最大临界温度。生长阶段,不同温度下的晶粒数随时间变化呈现出三种不同的模式。均匀形核生长多晶硅的位错主要来自于晶界,孪晶原子含量超过40 %。.(2)硅作为籽晶时,分析了生长的过程中孪晶和位错的含量、形成、演变规律以及两者的伴生关系。归纳发现了两种典型的缺陷构型。碳化硅作为籽晶时,观察到均质形核和异质形核两种形核方式。不同生长面上诱发的硅平行孪晶与生长界面的夹角不同,晶体结构也略有不同。理论计算和模拟结果较好地预测了温度与形核之间的关系。.(3)横向温度梯度增加,形核数目随着温度梯度增加而减少;晶体生长速率呈先增后减的趋势,固液界面形状也在变化。纵向温度梯度增加,晶体生长速率呈先增后减的趋势。生长速率顺序和形成孪晶的难易程度、结构均与恒温下基本一致。.(4)应力限制了二维晶核的形核速率,抑制了硅晶体的初期生长,且易诱发形成堆垛层错区。铁和碳杂质都会降低硅晶的生长速率,并易形成应力集中,诱发孪晶和层错形核,降低硅晶体质量。.(5)分别采用多晶硅棒和颗粒作为籽晶,发现棒料籽晶的铸锭,位错更少且少数载流子寿命更高。根据模拟结果和实验摸索,我们设计并提出了两种新型的籽晶铺设方法,有效提升了铸造硅晶体的质量。另外,我们引入大角度的籽晶小条和在坩埚和石墨护板之间增设石墨隔热毡有效地阻挡边缘多晶的侵入,提升了全单晶硅片率和降低了硅块的位错比例。相关技术在企业得到推广应用。

项目成果

期刊论文数量(23)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(1)
专利数量(5)
籽晶类型对高效多晶硅铸锭质量的影响
  • DOI:
    10.14158/j.cnki.1001-3814.20192327
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
    热加工工艺
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    刘世龙;周耐根;刘淑慧
  • 通讯作者:
    刘淑慧
Insights into the Electrocatalytic Hydrogen Evolution Reaction Mechanism on Two-Dimensional Transition-Metal Carbonitrides (MXene)
二维过渡金属碳氮化物(MXene)电催化析氢反应机理的见解
  • DOI:
    10.1002/chem.201804686
  • 发表时间:
    2018-12-10
  • 期刊:
    CHEMISTRY-A EUROPEAN JOURNAL
  • 影响因子:
    4.3
  • 作者:
    Huang, Bin;Zhou, Naigen;Li, Neng
  • 通讯作者:
    Li, Neng
A molecular dynamics study of atomic configurations of dislocations accompanying twins in crystal growth of Si from melt
熔体硅晶体生长过程中伴随孪生位错的原子构型的分子动力学研究
  • DOI:
    10.1088/1361-651x/aae330
  • 发表时间:
    2018
  • 期刊:
    Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering
  • 影响因子:
    1.8
  • 作者:
    Chang Zhangyong;Zhou Naigen;Zhang Chi;Gong Hongyong;Lin Maohua;Zhou Lang
  • 通讯作者:
    Zhou Lang
Nucleation of self-growth dislocations on growth front during the solidification process of silicon
硅凝固过程中生长前沿自生长位错的成核
  • DOI:
    10.1063/1.5088125
  • 发表时间:
    2019-04
  • 期刊:
    Journal of Applied Physics
  • 影响因子:
    3.2
  • 作者:
    Zhou Naigen;Sui Xiaoxiao;He Xiajie;Huang Shaowen;Zhou Lang
  • 通讯作者:
    Zhou Lang
Transition metal atoms implanted into MXenes (M2CO2) for enhanced electrocatalytic hydrogen evolution reaction
过渡金属原子注入 MXene (M2CO2) 以增强电催化析氢反应
  • DOI:
    10.1016/j.apsusc.2020.145319
  • 发表时间:
    2020-04-15
  • 期刊:
    APPLIED SURFACE SCIENCE
  • 影响因子:
    6.7
  • 作者:
    Chen, Zhenhua;Huang, Shaowen;Zhou, Naigen
  • 通讯作者:
    Zhou, Naigen

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其他文献

面心立方晶体外延膜中失配位错的结构与形成过程
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    --
  • 期刊:
    物理学报.55(1),372~376,2006.01
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    周耐根;周浪;杜丹旭
  • 通讯作者:
    杜丹旭
Structure and nucleation mechanisms of misfit dislocations in FCC thin films with positive and negative mismatches
正负错配FCC薄膜中错配位错的结构和成核机制
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    --
  • 期刊:
    Materials Chemistry and Physics. 2006,in press
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    周耐根;周浪
  • 通讯作者:
    周浪
A fusion-crystalization mechanism for nucleation of misfit dislocations in FCCepitaxial films
FC外延薄膜中错配位错成核的熔合结晶机制
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    --
  • 期刊:
    Journal of Crystal Growth. 289(2). 681~685, 2006.04
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    周耐根;周浪
  • 通讯作者:
    周浪
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纳米晶铜的晶格畸变和热稳定性
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    --
  • 期刊:
    Computational Materials Science. 30. 314~319 2004.08
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    周浪;魏秀琴;周耐根
  • 通讯作者:
    周耐根
应变对硅晶体生长影响的分子动力学模拟研究
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2014
  • 期刊:
    人工晶体学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    吴小元;张弛;周耐根;周浪
  • 通讯作者:
    周浪

其他文献

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周耐根的其他基金

基于MXenes表面氧/硫改性的碱金属离子电池负极材料设计
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    地区科学基金项目
氢化非晶硅薄膜局域结构特征及其形成的分子动力学模拟研究
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  • 批准年份:
    2013
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    地区科学基金项目
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AI项目解读示例

课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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