多晶硅真空定向凝固过程热质迁移及其对位错增殖的影响和调控研究

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    51864031
  • 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:
    E0414.材料冶金加工
  • 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

Improving the removal of impurities while realizing efficient ingot casting has recently been the focus and difficulty in preparing solar-grade polycrystalline silicon (SoG-Si) using vacuum directional solidification method. Based on the numerical simulation combined with experiments, a proper multi-field coupling mathematical model of heat transfer, melt flow, mass transfer and thermal stress is established, so as to study the heat-transfer characteristics during the growth of silicon crystal and the flowing behavior of silicon melts driven by various forces. The research aims to figure out the continuously migrating laws of the segregation, diffusion and volatilization process of impurities under the effect of thermal current. Then the restrictive link during the impurity removal process can be determined and meanwhile some improved measures will be proposed accordingly. The research studies the initial nucleation of silicon crystal and the formation and propagation of crystal defects such as dislocation during the growing process of silicon crystals. Besides, the influence laws of crystal defect density and its distribution on the electrical properties of silicon crystals are studied as well. Furthermore, the research discusses the collaborative behaviors of preferable orientation growth of polycrystalline silicon and the impurity removal. Additionally, the influence laws of materials characteristics, equipment structure and technological conditions on the removal efficiency of impurity and the quality of silicon crystals are studied. Eventually, the optimal matching principles of efficiently removing impurities and effectively improving the quality of silicon crystals can be obtained via the optimization and control of the vacuum directional solidification process. The research will reveal the synergistic effect mechanism of purification and growth of silicon crystals, breaking through the limitations on impurity removal and ingot casting in a single method, and realizing the effective impurity removal and efficient ingot casting, which will provide theoretical and practical support for the preparation of solar-grade polycrystalline silicon at lower costs and in shorter process as well.
如何在深度除杂的同时实现高效铸锭是目前利用真空定向凝固法制备太阳能级多晶硅技术研究的热点和难点。本项目采用数值计算与实验相结合的方法,建立真空定向凝固过程传热、流动、传质及热应力耦合数学模型,研究硅晶体生长过程的传热特性和多种驱动力下硅熔体的流动行为规律;研究热流作用下杂质分凝、扩散及挥发过程的连续迁移规律及影响因素,确定除杂过程的限制性环节,并提出改善措施;研究硅晶体初始形核、生长过程位错等缺陷的形成、增殖机理,探明晶体缺陷密度及分布对其电学性能的影响规律;研究硅晶体择优生长和杂质净化的协同行为,探讨物料特性、设备结构及工艺条件对杂质去除效率和晶体质量的影响规律,通过过程优化和调控,获得深度除杂和提高晶体质量的最佳匹配参数。本课题揭示提纯和晶体生长之间的协同作用机理,突破单一方法在除杂和铸锭上的限度,达到深度除杂和高效铸锭的目的,为低成本、短流程制备太阳能级多晶硅技术提供理论和应用支撑。

结项摘要

利用定向凝固技术去除硅中杂质、获取特定生长取向的多晶硅铸锭是冶金法生产多晶硅铸锭中必不可少的过程。真空定向凝固工艺通过杂质分凝、挥发、控制硅熔体凝固过程中晶体生长取向,达到除杂、消除缺陷的目的。.本项目首先建立多晶硅真空定向凝固过程中的温度场-流场-应力等多物理场耦合模型,研究了熔体Marangoni对流和流动行为对多晶硅传热特性的影响机制,并对Marangoni效应下不同拉速对温度梯度、固液界面形状影响研究,发现Marangoni效应增强了硅溶体的流动和对流换热系数,对其传热特性有显著影响。流速的增大使硅熔体的温度分布更加的均匀,径向温度梯度减小,导致了固液界面更加的平坦,有利于晶体柱状晶的生长。在拉速为10μm/s时,硅锭质量较好,XRD检测发现,在整个凝固的过程中晶体(111)面是占绝对的生长优势。实验验证了模拟结果的可靠性。其次研究了保温温度对多晶硅真空定向凝固过程中铸锭内部的晶体生长取向、杂质去除率及杂质分布形态的影响。得出了拉速10μm/s、保温0.5h、保温温度1730K的条件下形成的多晶硅铸锭内部晶体生长取向、除杂效果、杂质分布形态等各项指标最优。另外,通过建立的多晶硅真空定向凝固过程的多物理场耦合热质迁移模型,研究了Marangoni对流对多晶硅铸锭质量的影响以及硅熔体中Al杂质元素扩散迁移的特性,并测试了样品的宏观形貌、杂质富集特性、晶粒尺寸以及少子寿命。在Marangoni对流作用下,硅熔体的温度梯度降低了4.8%-9.9%,硅固体的温度梯度降低了2.1%-2.6%,平均应力和最大应力都得到了一定程度的降低。硅熔体流动强度大于10-2m/s时硅熔体流动会显著增强杂质Al的输运,当凝固结束后,杂质Al最终在硅锭顶部靠近侧壁的位置形成富集。.本项目研究共发表论文9篇,其中外文期刊SCI收录6篇(其中JCR一区论文一篇,二区论文2篇),中文核心期刊论文3篇;云南省优秀硕士论文奖论文1 篇;申请国家发明专利3项、授权使用新型专利1项。3名科研骨干晋升职称,协助培养博士研究生1人,硕士研究生5人;参加国内外学术交流16人次。

项目成果

期刊论文数量(9)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(4)
Marangoni效应下下拉速率对多晶硅真空定向凝固晶体质量的影响研究
  • DOI:
    10.14158/j.cnki.1001-3814.2019.05.024
  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
    热加工工艺
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    谢广杰;赵世民;吕国强;杨玺;张玉峰;何云飞
  • 通讯作者:
    何云飞
定向凝固保温温度对多晶硅定向凝固晶体质量的影响
  • DOI:
    10.14136/j.cnki.issn1673-2812.2020.05.009
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
    材料科学与工程学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    王毅博;谢广杰;杨玺;吕国强;鲍雨;肖庭;雷云;马文会
  • 通讯作者:
    马文会
The influence of Marangoni effect on the growth quality of multi-crystalline silicon during the vacuum directional solidification process
马兰戈尼效应对真空定向凝固多晶硅生长质量的影响
  • DOI:
    10.1016/j.mssp.2018.11.015
  • 发表时间:
    2019-03
  • 期刊:
    MATERIALS SCIENCE IN SEMICONDUCTOR PROCESSING
  • 影响因子:
    4.1
  • 作者:
    Xie Guangjie;Lv Guoqiang;Wane Yibo;Ma Wenhui;Yang Xi;Lei Yun
  • 通讯作者:
    Lei Yun
多晶硅真空定向凝固过程Marangoni对流对铸锭质量的影响研究
  • DOI:
    10.13922/j.cnki.cjvst.202011019
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
    真空科学与技术学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    多文超;杨玺;何云飞;李秋菊;魏奎先;吕国强;马文会
  • 通讯作者:
    马文会
Separation of Silicon from Coarse Al-Si Melts under Alternating Electromagnetic Field with Varying Frequencies
变频交变电磁场从粗铝硅熔体中分离硅
  • DOI:
    10.1007/s12633-020-00375-8
  • 发表时间:
    2020-01
  • 期刊:
    SILICON
  • 影响因子:
    3.4
  • 作者:
    Zhang Yufeng;Chang Yanfeng;Lv Guoqiang;Ma Wenhui;He Yunfei;Xie Guangjie
  • 通讯作者:
    Xie Guangjie

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其他文献

传热过程对多晶硅真空定向凝固过程的凝固界面及热应力的影响
  • DOI:
    10.13289/j.issn.1009-6264.20150505.001
  • 发表时间:
    2015
  • 期刊:
    材料热处理学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    吕国强;杨玺;刘成;马文会;陈道通;蒋鹏仪
  • 通讯作者:
    蒋鹏仪
工业硅真空感应精炼过程熔体流动过程数值模拟
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2013
  • 期刊:
    材料热处理学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    吕国强;马文会;王华;魏奎先;杨玺;罗涛;薛海洋
  • 通讯作者:
    薛海洋
固体氧化物燃料电池Cu/Ni-LSCM 阳极中Cu/Ni比对碳沉积影响数值模拟研究
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    --
  • 期刊:
    化学工业与工程
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    王彬;于洁;康丁文;刘辉;乔翠;吕国强;马文会
  • 通讯作者:
    马文会
Numerical study for direction solidification purification high quality silicon to SoG-Si.
定向凝固提纯高品质硅制备SoG-Si的数值研究
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2013
  • 期刊:
    Journal of crystal growth
  • 影响因子:
    1.8
  • 作者:
    吕国强
  • 通讯作者:
    吕国强
用于侧出式发光二极管背光的全局动态调光算法
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2012
  • 期刊:
    光学精密工程
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    冯奇斌;何会杰;张伟伟;方勇;吕国强;FENG Qi-bin1,HE Hui-jie2,ZHANG Wei-wei2,FANG Yong1;2.School of Instrumentation;Opto-electronics E
  • 通讯作者:
    Opto-electronics E

其他文献

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吕国强的其他基金

金刚线锯硅废料熔渣精炼和电磁熔配制备高硅铝合金的应用基础研究
  • 批准号:
    22268027
  • 批准年份:
    2022
  • 资助金额:
    33.00 万元
  • 项目类别:
    地区科学基金项目
金刚线锯硅废料熔渣精炼和电磁熔配制备高硅铝合金的应用基础研究
  • 批准号:
  • 批准年份:
    2022
  • 资助金额:
    33 万元
  • 项目类别:
    地区科学基金项目
过共晶铝硅合金电磁分离过程多场驱动下传输特性及强化机理研究
  • 批准号:
    51466005
  • 批准年份:
    2014
  • 资助金额:
    50.0 万元
  • 项目类别:
    地区科学基金项目
工业硅真空感应精炼多场耦合数值模拟研究
  • 批准号:
    51066003
  • 批准年份:
    2010
  • 资助金额:
    25.0 万元
  • 项目类别:
    地区科学基金项目

相似国自然基金

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  • 批准号:
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  • 项目类别:
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相似海外基金

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  • 项目类别:
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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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