太陽(yáng)能級(jí)硅（Solar-grade silicon）在通信和光伏等應(yīng)用中越來(lái)越受歡迎。雖然跟上這種不斷增長(zhǎng)的需求很重要，但目前生產(chǎn)太陽(yáng)能級(jí)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(guò)仿真模擬了該工藝的內(nèi)部過(guò)程，旨在優(yōu)化微波熔爐設(shè)計(jì)，生產(chǎn)低成本的太陽(yáng)能級(jí)硅。
  什么是太陽(yáng)能級(jí)硅？
  高純度硅有三個(gè)等級(jí)，每個(gè)等級(jí)都有不同的應(yīng)用和特定的純度要求，太陽(yáng)能級(jí)硅是其中的一個(gè)等級(jí):
  冶金級(jí)硅純度為 98%
  太陽(yáng)能硅純度為 99.9999%(6N 或“六個(gè) 9”)
  電子級(jí)硅純度為 99.9999999%(9N)
  單晶硅的結(jié)構(gòu)。太陽(yáng)能硅幾乎是純硅。
  太陽(yáng)能級(jí)硅的生產(chǎn)方法比較
  傳統(tǒng)上，太陽(yáng)能級(jí)硅是在高溫(2000 ℃)下通過(guò)還原硅石英和碳進(jìn)行生產(chǎn)的，硅的純度為 98.5%。但這還不夠純，不能被認(rèn)為是太陽(yáng)能級(jí)的，所以硅必須通過(guò)氣相進(jìn)一步提純。由于該工藝包含多個(gè)步驟和不同的過(guò)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(jīng)驗(yàn)的操作員。
  JPM 的分析方法是從高純度的原材料開(kāi)始。將硅放入無(wú)污染的微波熔爐中，進(jìn)行傳統(tǒng)生產(chǎn)過(guò)程中的加熱和氣相階段。由于沒(méi)有連續(xù)的優(yōu)化過(guò)程，這種方法更加高效和經(jīng)濟(jì)。
  微波熔爐的設(shè)置。 N. Rezaii 和 JP Mai 拍攝，摘自他們?cè)?COMSOL 用戶(hù)年會(huì) 慕尼黑會(huì)議上發(fā)表的論文。
  微波熔爐由五部分組成:
  磁控管芯，產(chǎn)生電磁微波
  波導(dǎo)，將微波傳輸?shù)街C振器中
  諧振器(也稱(chēng)為反應(yīng)室)，包括一個(gè)盛裝硅樣品的坩堝
  調(diào)諧器，可以改善微波的吸收
  循環(huán)器，通過(guò)使用水浴來(lái)消散反射微波能量，防止磁控管過(guò)熱
  優(yōu)化微波熔爐設(shè)計(jì)的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)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(nèi)的材料，從而導(dǎo)致從內(nèi)到外的溫度下降。此外，由于熔爐的升溫時(shí)間更快，停留時(shí)間更短，所以硅雜質(zhì)的擴(kuò)散更少。
  為了優(yōu)化生產(chǎn)太陽(yáng)能級(jí)硅的微波熔爐，JPM 公司使用 COMSOL 軟件研究了其內(nèi)部過(guò)程。
  使用COMSOL Multiphysics模擬微波熔爐生產(chǎn)太陽(yáng)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(nèi)發(fā)生的電磁、化學(xué)和物理現(xiàn)象。由于一些材料具有與溫度密切相關(guān)的電磁特性，因此該模型將電磁場(chǎng)分布和溫度場(chǎng)耦合在一起。
  您可以通過(guò)閱讀完整的會(huì)議論文來(lái)了解有關(guān)模型設(shè)置的更多信息 用于提高太陽(yáng)能級(jí)硅的生產(chǎn)效率的微波熔爐的多物理場(chǎng)仿真。（點(diǎn)擊原文查看論文鏈接）
  為了避免不必要的反應(yīng)，在微波熔爐中使用化學(xué)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)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(qiáng)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(qiáng)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(dǎo)端口高度處的電場(chǎng)高于反應(yīng)室的任何其他部分。坩堝中心的磁場(chǎng)增強(qiáng)表明這是加熱坩堝的最佳位置，如下圖所示。
  諧振器和波導(dǎo)中的電場(chǎng)分布。由 N.Rezaii 和 JP Mai 提供，摘自他們?cè)?COMSOL 用戶(hù)年會(huì) 2016 慕尼黑會(huì)議上發(fā)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(yùn)行。他們測(cè)試了板的三個(gè)不同高度(坩堝位于板的頂部)，并重新檢查了電場(chǎng)。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(shí)的電場(chǎng)分布。由 N. Rezaii 和 J.P. Mai 提供，摘自他們?cè)谀侥岷跁?huì)議上的論文。
  仿真結(jié)果表明，40mm 絕緣板的性能最好。電場(chǎng)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(guò)硅樣品的表面，速度不均勻。然后，器壁將氣流轉(zhuǎn)向出口。仿真結(jié)果顯示，在波導(dǎo)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(lái)自他們的慕尼黑 COMSOL 會(huì)議海報(bào)。
  熱分布
  為了分析電磁波對(duì)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(jì)算固體和液體(普朗克輻射定律)以及氣體(Stefan-Boltzmann定律)的傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射的強(qiáng)制熱方程。用RF模塊計(jì)算出的耗散熱量被用作體積熱源。用CFD模塊計(jì)算的氣體速度分布有助于發(fā)現(xiàn)對(duì)流熱損失。
  正如電磁學(xué)研究所預(yù)期的那樣，諧振器中最熱的點(diǎn)在坩堝的中心。此外，由于具有較低的熱導(dǎo)率，周?chē)慕^緣層不會(huì)發(fā)熱。
  諧振器中的熱量分布。由 N. Rezaii 和 JP Mai 提供，來(lái)自 他們的慕尼黑會(huì)議海報(bào)。

  通過(guò)深入了解微波熔爐的內(nèi)部過(guò)程，JPM 公司的研究人員為高效的太陽(yáng)能硅生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。

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