Оптимизация промышленных микроволновых печей для производства кремния солнечного качества

Bridget Paulus 08/06/2017
Share this on Facebook Share this on Twitter Share this on LinkedIn

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)

silicon molecular structure Оптимизация промышленных микроволновых печей для производства кремния солнечного качества
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.

microwave furnace setup Оптимизация промышленных микроволновых печей 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.

electric field distribution in resonator and waveguide Оптимизация промышленных микроволновых печей для производства кремния солнечного качества
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
insulation plate height of 30 mm Оптимизация промышленных микроволновых печей для производства кремния солнечного качества
insulation plate height of 40 mm Оптимизация промышленных микроволновых печей для производства кремния солнечного качества
insulation plate height of 50 mm Оптимизация промышленных микроволновых печей для производства кремния солнечного качества

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.

gas velocity distribution Оптимизация промышленных микроволновых печей для производства кремния солнечного качества
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.

heat distribution simulation plot Оптимизация промышленных микроволновых печей для производства кремния солнечного качества
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


Загрузка комментариев...

Темы публикаций


Теги

3D печать Cерия "Гибридное моделирование" Введение в среду разработки приложений Видео Волновые электромагнитные процессы Глазами пользователя Графен Интернет вещей Кластеры Моделирование высокочастотных электромагнитных явлений на различных пространственных масштабах Модуль AC/DC Модуль MEMS Модуль Акустика Модуль Волновая оптика Модуль Геометрическая оптика Модуль Механика конструкций Модуль Миксер Модуль Нелинейные конструкционные материалы Модуль Оптимизация Модуль Плазма Модуль Радиочастоты Модуль Роторная динамика Модуль Течение в трубопроводах Модуль Химические реакции Модуль аккумуляторов и топливных элементов Охлаждение испарением Пищевые технологии Рубрика Решатели Серия "Геотермальная энергия" Серия "Конструкционные материалы" Серия "Электрические машины" Серия “Моделирование зубчатых передач” Сертифицированные консультанты Технический контент Указания по применению модуле Теплопередача модуль Вычислительная гидродинамика физика спорта