Оптимизация промышленных микроволновых печей для производства кремния солнечного качества

08/06/2017

Кремний солнечного качества (КСК) становится всё более популярным при производстве фотоэлектрических преобразователей (фотовольтаика) и современных средств связи. Несмотря на постоянный рост спроса, существующие методы производства являются достаточно энергоёмкими и дорогими. Исследователи из компании JPM Silicon GmbH, Германия, разработали новый более эффективный метод с использованием промышленной микроволновой печи. Исследовав с помощью численного моделирования внутренние процессы производственного цикла, они смогли оптимизировать конструкцию печи для производства недорогого КСК.

Что такое кремний солнечного качества?

Кремний солнечного качества — это один из трёх видов кристаллического кремния высокой степени очистки. Степени очистки различают по областям применения и процентному содержанию чистого кремния:

  1. В металлургическом (техническом) содержится 98% чистого кремния
  2. В кремнии солнечного качества — 99.9999% (6N, т.е. шесть девяток)
  3. В кремнии электронного качества — 99.9999999% (или 9N)

Схема монокристаллической структуры кремния.
Структура монокристаллического кремния. Кремний солнечного качества является практически чистым кремнием.

Сравнение технологий производства кремния солнечного качества

Традиционно, КСК производится с использованием высоких температур (2000°C) для уменьшения содержания кварцевого песка и углерода. В результате, получается кремний чистотой 98.5%. Этого недостаточно для получения кремния солнечного качества, поэтому далее его очищают с использованием газовой фазы. Из-за множества этапов данный процесс не достаточно эффективен. К тому же он энергоёмкий, дорогой и требует большого количества опытных специалистов.

В технологии, которую исследует команда из JPM, работа начинается с уже чистым веществом. Кремний помещают в химически чистую микроволновую печь, в которой происходит как процесс нагрева, так и газовая фаза традиционного производственного цикла. ЗА счет того, что весь процесс укладывается в одну стадию, эта методика является более эффективной и экономичной.

Схема установки на основе микроволновой печи для производства кремния солнечного качества.
Установка на основе промышленной микроволновой печи. Иллюстрация из доклада, представленного на конференции COMSOL 2016 в Мюнхене, авторы Резаи (N. Rezaii) и Май (J.P. Mai).

Установка состоит из пяти компонентов:

  1. Магнетрон, как генераторор э/м волн
  2. Волновод, который направляет микроволны в резонатор
  3. Резонатор (т.н. реакционная камера), в котором содержится тигель для удержания образца кремния
  4. Аттенюатор для регулировки и улучшения поглощения микроволн
  5. Циркулятор, задача которого состоит в защите магнетрона от перегрева за счет использования водяной бани для рассеивания отраженной от резонатора микроволновой энергии

Одним из преимуществ данной конструкции является уменьшение тепловых потерь. Частично это связано с селективным нагревом, реализованным внутри установки. Кроме того, уменьшается диффузия примесей кремния, т.к. печь нагревается намного быстрей, а вещество находится в ней меньше времени.

Для оптимизации конструкции микроволновой печи в процессе производства кремния солнечного качества команда из JPM Silicon GmbH исследовала внутренние процессы производственного цикла с помощью численного моделирования в COMSOL Multiphysics®.

Моделирование производства кремния солнечного качества в микроволновой печи

Исследователи создали собственную модель, в которой учитывались электромагнитные, химические и физические процессы внутри установки. Так как у некоторых материалов электромагнитные свойства сильно зависят от температуры, в модели присутствует мультифизическая связь между электромагнитным и тепловым полями.

Вы можете более подробно ознакомиться с настройками модели, прочитав статью "Мультифизическое моделирование микроволновой печи для эффективного производства кремния солнечного качества", представленную авторами на конференции.

Для предотвращения нежелательных реакций было решено использовать химически стабильные материалы и инертный газ внутри печи. Изоляционные материалы также должны быть качественными для эффективной минимизации тепловых потерь.

Электромагнитная интенсивность и её распределение

Инженеры использовали модуль Радиочастоты (RF Module) для моделирования электромагнитной интенсивности и её распределения в резонаторе и в кремниевом образце. В интерфейсах модуля для исследования распространения микроволнового излучения решаются уравнения Максвелла.

Максимальные значения электрического поля по высоте реакционной камеры получились на уровне портов волновода. Усиление поля в районе тигеля указывает на то, что это — оптимальное место для нагрева образца. Результаты приведены ниже.

В модели Резаи и Маи показано распределение электрического поля в резонаторе и волноводе.
Распределение электрического поля в резонаторе и в волноводе. Изображение взято из доклада, представленного на конференции COMSOL 2016 в Мюнхене, авторы Резаи (N. Rezaii) и Май (J.P. Mai).

Далее было решено узнать, какое влияние на работу печи оказывает высота размещения изоляционной подставки. Было исследовано три случая, соответствующих трем различным значениям высоты (на которой держится тигель) и пересчитали распределение электрического поля. Исследованные значения высоты подставки:

  • 30 мм
  • 40 мм
  • 50 мм
Модель Резаи и Маи для изоляционной подставки, размещенной на высоте 30 мм.
Модель Резаи и Маи для изоляционной подставки, размещенной на высоте 40 мм.
Модель Резаи и Маи для изоляционной подставки, размещенной на высоте 50 мм.

Распределение электрического поля при высоте размещения подставки 30 мм (слева), 40 мм (посередине) и 50 мм (справа). Изображение взято из доклада, представленного на конференции COMSOL 2016 в Мюнхене, авторы Резаи (N. Rezaii) и Май (J.P. Mai).

По результатам моделирования видно, что оптимальная высота — 40 мм. При такой высоте электрическое поле сфокусировано в центре тигеля, то есть на образце кремния.

Распределение скорости потока газа

В модуле Вычислительная гидродинамика (CFD) решаются уравнения Навье-Стокса и находится распределение скорости потоков газа. Впускное отверстие для газа расположено над поверхностью кремниевого образца, в нем задано неоднородное распределение скорости. Отражаясь от верхней стенки, газ попадает в специальное выходное отверстие. По результатам моделирования видно, что вблизи портов волновода, а также ближе к верхней и нижней стенкам, поток газа невелик.

В модели Резаи и Маи показано распределение скорости потока газа в резонаторе
Распределение скорости газа в резонаторе. Изображение взято из доклада, представленного на конференции COMSOL 2016 в Мюнхене, авторы Резаи (N. Rezaii) и Май (J.P. Mai).

Распределение тепла

Чтобы определить, насколько хорошо электромагнитные волны нагревают образец кремния, исследователи проанализировали распределение тепла в резонаторе. В их модели учитывались уравнения теплового баланса для расчёта теплопроводности, конвекции и излучения в твёрдых телах, жидкостях (выражения Планка для излучения) и газах (закон Стефана-Больцмана). В качестве объёмного источника тепла использовались данные о рассеянной мощности, рассчитанные в модуле Радиочастоты. В модуле Вычислительная гидродинамика (CFD) была рассчитана скорость газа и соответствующие конвективные тепловые потери.

Как и было спрогнозировано при электромагнитном расчёте, самая горячая точка в резонаторе находится в центре тигеля. Кроме того, изоляционные слои не перегреваются из-за их низкой теплопроводности.

В модели Резаи и Маи показано распределение тепла в резонаторе
Распределение тепла в резонаторе. Изображение взято из доклада, представленного на конференции COMSOL 2016 в Мюнхене, авторы Резаи (N. Rezaii) и Май (J.P. Mai).

Таким образом, рассчитав все внутренние процессы в микроволновой печи, исследователи из JPM Silicon GmbH смогли оптимизировать свою конструкцию и разработать эффективную установку для производства кремния солнечного качества.

Дополнительные материалы о моделировании в области гелиоэнергетики


Комментарии (0)

Оставить комментарий
Войти | Регистрация
Загрузка...
РУБРИКАТОР БЛОГА COMSOL
РУБРИКИ
ТЕГИ