热屏影响下直拉法单晶硅生长能耗及传热路径研究

doi:10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2024.0320

摘要/Abstract

摘要： 单晶硅是太阳能电池的主要原材料，其生长成本直接影响电池的制造成本。因此，降低单晶硅生长能耗对光伏产业的降本增效至关重要。本文建立了直拉单晶硅生长的全局3D数值模型，考虑了单晶炉中加热器、电极等非旋转对称结构，能够更精确地模拟单晶炉内的流动和传热过程。基于所建立的数值模型，研究了热屏冷、热侧发射率对单晶炉内能耗分配及辐射、对流和导热传热路径的影响规律。结果表明，冷、热侧发射率的降低均可取得明显的降耗效果，且降低冷侧发射率能够更加显著地降低能耗。在辐射传热方面，随着热屏冷、热侧发射率的降低，石墨坩埚和热屏热侧的吸热，以及硅熔体和热屏冷侧的放热均不断减小；随着热侧发射率的降低，顶保温的吸热出现了一定的增加。在对流传热方面，随着热屏冷侧发射率的降低，水冷屏吸热及热屏冷侧放热均不断增大，与冷侧相比，热侧发射率对对流传热的影响则相对较小。在导热传热方面，随着热屏冷热侧发射率的降低，热屏热侧到冷侧、石墨坩埚到石英坩埚，以及石英坩埚到硅熔体的导热均不断减小。本文研究结果可以为工业直拉单晶炉的精细化、深度化降耗提供重要的参考。

关键词: 热屏; 能耗; 传热路径; 直拉单晶硅; 数值模拟

Abstract: Silicon crystal， as the primary raw material for solar cells， plays a critical role in determining solar cells manufacturing costs. Consequently， reducing power consumption during monocrystalline silicon growth is pivotal for cost reduction and efficiency improvement in the photovoltaic industry. This study develops a global three-dimensional （3D） numerical model for the Czochralski （CZ） silicon growth， considering non-axisymmetric components such as heaters and electrodes in the CZ furnace. This modeling approach allows for more precise simulations of fluid flow and heat transfer in the CZ furnace. Based on the numerical model， the influence law of the emissivity of cold and hot side in heat shield on power consumption distribution and heat transfer paths of radiation， convection， and conduction in the CZ furnace was analyzed. The results indicate that reducing the emissivity on both cold and hot side significantly decreases power consumption， with a more pronounced effect observed on the cold side. In terms of radiative heat transfer， reducing the heat shield emissivity decreases the heat absorbed by the graphite crucible and the hot side of heat shield， as well as the heat releasing from the silicon melt and the cold side of heat shield. Furthermore， a slight increase in heat absorption by the top insulation is observed when the emissivity of the hot side is reduced. In terms of convective heat transfer， the reduction in cold side emissivity increases the heat absorbed by the water-cooling jacket， and the heat releasing from the cold side of heat shield. In contrast， the impact of hot side emissivity on convective heat transfer is comparatively minor. In terms of conductive heat transfer， lowering the emissivity on both sides of heat shield decreases heat conduction from the hot to cold side of heat shield， as well as from the graphite crucible to the quartz crucible， and from the quartz crucible to the silicon melt. These results provide critical theoretical insights for the precise and deep optimization of energy-saving strategies in industrial CZ furnaces.

Key words: heat shield; power consumption; heat transfer path; Czochralski silicon crystal; numerical simulation

中图分类号:

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图/表 11

图1 单晶炉膛结构示意图

Fig.1 Schematic diagram of the CZ furnace

表1 热物性参数

Table 1 Thermal property parameters

Material	Density/ （kg·m^-3）	Heat capacity/ （J·kg^-1·K^-1）	Thermal conductivity/（W·m^-1·K^-1）	Emissivity	Latent heat/ （J·kg^-1）	Viscosity/（Pa·s）
Melt	2 530	1 000	64	0.30	1 810 000	8×10^-4
Argon gas	—	520.64	0.01+2.5×10^-5T	—	—	8.466×10^-6+5.365×10^-8T-8.68×10^-12T²
Crystal	2 330	1 059	22	0.90-2.62×10^-4T	—	—
Graphite	2 300	2 019	90	0.80	—	—
Quartz	2 650	1 232	4	0.85	—	—
Carbon felt	2 101	-317+4.03T-2.4×10^-4T²+ 5.0×10^-7T³	0.334-1.83×10^-4T+2.15×10^-7T²-1.89×10^-11T³-2.08×10^-11T⁴	0.45	—	—
Steel	7 900	477	15	0.6	—	—

图2 单晶炉膛全局温度场

Fig.2 Global temperature field in the CZ furnace

图3 热屏发射率对单晶炉能耗分配的影响

Fig.3 Influence of heat shield emissivity on power consumption distribution in the CZ furnace

图4 单晶炉中辐射传热路径

Fig.4 Radiative heat transfer paths in the CZ furnace

图5 热屏发射率对辐射传热路径的影响

Fig.5 Influence of heat shield emissivity on radiative heat transfer paths

图6 单晶炉内对流传热路径

Fig.6 Convective heat transfer paths in the CZ furnace

图7 热屏发射率对对流传热路径的影响

Fig.7 Influence of heat shield emissivity on convective heat transfer paths

图8 热屏冷侧发射率对热屏温度的影响

Fig.8 Influence of cold side emissivity of heat shield on its temperature field

图9 单晶炉内导热传热路径

Fig.9 Conductive heat transfer paths in the CZ furnace

图10 热屏发射率对导热传热路径的影响

Fig.10 Influence of heat shield emissivity on conduction heat transfer paths

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