Сущность исследуемой проблемы. Краткая история и состояние вопроса - davaiknam.ru o_O
Главная
Поиск по ключевым словам:
страница 1
Похожие работы
Название работы Кол-во страниц Размер
Современное состояние и перспективы развития 1 237.85kb.
1. 1 История изучения и краткая характеристика исследуемой почвы 7 1 344.85kb.
Хрестоматия «когнитивная психология: история и современность» предисловие... 1 73.88kb.
Краткая история Древней Японии. Краткая история новой Японии 7 659.6kb.
И. В. Челышева медиаобразование в россии: краткая история развития а. 30 5886.27kb.
Азимов Айзек Краткая история биологии. От алхимии до генетики 26 1585.09kb.
Гусейнов А. А., Иррлитц Г. Краткая история этики 1 285.76kb.
Комментариев теперь для понимания сути проблемы кратко вспомним историю... 5 657.66kb.
Вопросы к экзамену по курсу "мэо" для студентов 2 курса факультета... 1 22.45kb.
Б. М. Теплов в полной мере историческое прошлое может служить настоящему... 11 1682.16kb.
Состояние вопроса 1 265.02kb.
Пористый кремний 1 23.45kb.
Направления изучения представлений о справедливости 1 202.17kb.

Сущность исследуемой проблемы. Краткая история и состояние вопроса - страница №1/1


Научно-техническое обоснование космического эксперимента

«Исследование процессов диффузии и сегрегации при кристаллизации кремния из металл-кремниевого расплава»

  1. Сущность исследуемой проблемы. Краткая история и состояние вопроса.

Более 50 лет назад был впервые запущен искусственный спутник, положивший начало применение солнечных батарей на околоземной орбите. Их использование на спутниках и космических кораблях в течение нескольких десятилетий являлось мощнейшим стимулом для развития фотоэлектрических преобразователей и солнечных батарей. Сегодня возобновляемые источники энергии, обеспечиваемые солнечными элементами, которые генерируют экологически эффективную электрическую энергию, вносят существенный вклад в ее производство по всему миру. Согласно прогнозам SETFor2020 [1] солнечная энергетика должна обеспечивать около 12% общего потребления электроэнергии в 2020 г по сравнению с 1% в настоящее время. Такой сценарий развития рынка требует значительных инвестиций в новые производства и создания тысяч новых рабочих мест. Более того, требуются огромные технологически усилия, чтобы снизить стоимость фотоэлектрических систем, применяемых для генерирования электроэнергии. Россия, имея огромный задел в данном направлении, и кооперируясь с Европейским сообществом, имеет все условия для развития своих лидирующих позиций в солнечной энергетике.

Солнечные элементы, основанные на кристаллическом кремнии, доминируют на рынке, занимая более 90% его емкости сегодня. И в ближайшие десятилетия кристаллические солнечные элементы будут оставаться согласно различным исследованиям рынка лидирующей технологией. При этом технологии солнечных элементов, базирующихся на кристаллическом кремнии, требуют получение кристаллов кремния со специфическими для фотоэлектрических преобразователей свойствами. Выращиваемые кристаллы разрезаются на пластины, которые затем обрабатываются и собираются в солнечные панели. Техника кристаллизации может быть разбита на несколько групп:



  1. Рост монокристаллов методом Чохральского и плавающей зоны. Обеспечивает получение высококачественного материла для солнечных элементов с кпд от 22% и выше [2] при скоростях роста от 10 до 30 мкм/сек;

  2. Направленная кристаллизации мульти-кристаллических слитков в тиглях из плавленого кварца, покрытого защитным слоем Si3N4 , позволяющая достичь 18% [2] кпд в солнечных элементах при скорости роста порядка 3-5 мкм/сек;

  3. Непрерывная разливка квадратных по форме мульти-кристаллических кремниевых заготовок, которые недавно были представлены на рынке и показывающие эффективность до 16% при скорости роста порядка до 50 мкм/сек и производительностью до 40 кг в час на одной печи;

  4. Рост тонких мульти-кристаллических кремниевых лент методами Степанова, EFG и другими подобными, позволяющими исключить потери материала благодаря исключению процесса распиловки, с кпд до 15%. Благодаря малой толщине скорость роста материала составляет 300 мкм/сек.

Достигаемая в различных методах эффективность солнечных элементов напрямую связана с качеством материала: чем меньше кристаллических дефектов присутствует в материале, тем выше кпд получаемого элемента. С другой стороны, стоимость производства монокристаллов значительно выше, чем мульти-кристаллических слитков и лент. Имея в виду стоимость, получение и качество материала, а также потенциал технологии для ее дальнейшего развития, мульти-кристаллический кремний будет играть все возрастающею роль. Сказанное подтверждает и современное состояние рынка, на котором около 45-55% занимает мульти-кристаллический и 35-45% монокристаллический кремний. При этом одной из важнейших задач становиться разработка технологий получения мульти-кристаллического материала из очищенного исходного металлургического кремния.

Существуют различные технологии очистки металлургического кремния, производство которого чрезвычайно дешево, но обеспечивает чистоту не выше 99.5% [3-5]. Типичными металлическими примесями являются AI, Fe, Ti и Ca на уровне концентрации между 100 и 1000 ppma. Примеси частично растворены в матрице кремния; частично они существуют в виде посторонних фаз в форме оксидов, карбидов и силицидов. Присутствующие B и P находятся в диапазоне 20-60 ppma. За исключением B и P, большинство примесей имеют коэффициент сегрегации 10-5 или меньше, поэтому могут быть легко удалены при направленной кристаллизации. Для производства исходного материала солнечного качества необходимо разработать дополнительно процесс очистки специально для удаления B и P. Помимо других методов, разрабатываемых в настоящее время, весьма перспективным оказался подход по кристаллизации кремния из металл (а именно Al, Sn, …)-кремниевых расплавов [6], поскольку коэффициенты сегрегации B и P в них на порядок ниже, чем в двойных расплавах Si-B, Si-P (0.8 и 0.35, соответственно). При этом их величина существенно зависит от температуры, достигая своего минимального значения в эвтектике сплава Si-Al. Однако оценки, сделанные авторами [7] для расплава Al-Si в диапазоне температур 1073-1273 K, а именно (7.6-22)×10-2 и (4-8.5)×10-2 для бора и фосфора, соответственно, не были подтверждены в ростовых экспериментах [6]. Поэтому вопрос проведения прямых измерений коэффициентов сегрегации этих примесей и определения их равновесных значений чрезвычайно актуален.


  1. Необходимость проведения КЭ в условиях космического пространства в составе РС МКС.

Рост кристаллов многокомпонентных систем является по своей сути сложным процессом, т.к. включает в себя нелинейное взаимодействие течения жидкости, тепло и - массоперенос, учет фазовой диаграммы, а также взаимодействия на микро – и макро уровне. Большинство из них осложнено действием гравитации. Процессы переноса тепла конвекцией, перенос массы в расплаве также способствуют появлению значительной неопределенности при экспериментальном изучении физических параметров, в частности, таких как коэффициенты диффузии и сегрегации. Измерения этих параметров в значительной степени подвержены влиянию имеющей место естественной конвекции в расплаве, делая их на Земле весьма неточными, хотя сами методы измерения и последующей обработки данных давно и хорошо развиты. Микрогравитационная среда, по-видимому, остается единственным средством получения точных данных о равновесном коэффициенте сегрегации, что чрезвычайно важно для оптимизации технологии роста кристаллов различными методами.

Аналогично, и в процессах очистки при сегрегации компонент конвекция играет крайне важную роль. Конвекцией необходимо управлять таким образом, что максимально усилить эффект очистки в процессе сегрегации, избежать внедрения посторонних фаз, которые имеют место в металлургическом кремнии, равно как и металлических включений в объем кристаллизуемого материала.

Среди упомянутых ранее вопросов, связанных с процессом кристаллизации, многие требуют для лучшего понимания создания условий микрогравитации. Например, влияние конвективных потоков на развитие межфазной границы, однородность состава кристалла, вхождение примесей и включений, фазовой кинетики, кривизны поверхности и т.д. должны быть изучены. В условиях микрогравитации химическая сегрегация, включения раствора и их взаимодействие с движущимся фронтом кристаллизации могут быть изучены в условиях почти полного переноса массы только диффузией. Более того, в условиях микрогравитации можно реализовать условия полного контроля конвекции применением магнитных полей, получая чрезвычайно важную информацию о влиянии конвекции на вхождение включений и их распределение в выросшем кристалле.

Более детально постановка экспериментальных работ и потребности их проведения в условиях космического пространства изложены в долгосрочной международной программе ID: AO-2009-1051 SiSSi «Gravitational effects on heat and mass transport phenomena in directional solidification of upgraded metallurgical silicon for photovoltaic applications», одобренной в 2010 г. Европейским космическим агентством. Задачами проекта, в том числе, по изучению сегрегации примесей в кремнии при его кристаллизации методом зонной плавки предусматривается использование НА «МЭП-01», устанавливаемой на РС МКС.



  1. Описание КЭ

Проведение КЭ основано на реализации процесса роста кристаллов с использованием погруженного в расплав нагревателя (ОТФ-нагревателя), который размещается на удалении или вблизи фронта растущего кристалла. При этом в первом случае ОТФ-нагреватель герметизирует всю расплавленную зону, исключая появление свободной поверхности расплава и, как следствие, возникновение конвекции Марангони, а во втором – играет роль перегородки, отделяющей зону расплава, из которого растет кристалл, от зоны его подготовки.

Предполагается реализовать два варианта подготовки и подачи питающего материала к растущему кристаллу. В первом – весь объем питающего материала размещается под ОТФ-нагревателем и расплавляется до начала кристаллизации. Этот вариант ОТФ метода можно считать модифицированным методом вертикальной направленной кристаллизации, т.к. тигель относительно ОТФ-нагревателя не перемещается. Рост представляет собой процесс направленной кристаллизации из многокомпонентной расплавленной зоны [8], который преимущественно определяется диффузий второй компоненты в жидкой фазе [9].аправленная фазы агреватлем и ава в свободную верхнюю часть тигля.ие конвеции Марангони.resentative of the . ной мне гл. По аналогии с методом жидкофазной эпитаксии расплав из насыщенного состояния переходит в пересыщенное, и избыток второй компоненты нарастает на затравку в зависимости от скорости охлаждения расплава и величины градиента температуры. Другой вариант представляет собой стандартный ОТФ метод, в котором дополнительно осуществляется подпитка расплава над ОТФ-нагревателем в течение всего цикла кристаллизации. Питающий материал при этом в виде стержня находится в контакте с расплавом в верхней части тигля и подается к ОТФ-нагревателю одновременно с вытягиванием из тигля растущего кристалла в холодную часть тепловой зоны.

Все описанные выше элементы в свою очередь закреплены внутри составного контейнера, который устанавливают в печи таким образом, чтобы было обеспечено необходимое распределение температуры по его длине, а также подача питающего материала и перемещение растущего кристалла в холодную зону камеры. Последнее осуществляется с помощью имеющегося в печи привода, к которому крепится шток вместе с растущим кристаллом. В зависимости от выбранного варианта реализации метода ОТФ-нагреватель крепится к верхней части тигля или к противоположному от привода торцу контейнера. ОТФ-нагреватель используется для создания необходимого по величине осевого градиента температуры и контроля за ним, а также одновременно служит поршнем, препятствующим перетеканию расплава в свободную верхнюю часть контейнера. При использовании питающего стержня, расположенного над ОТФ-нагревателем для герметизации тигля используется дополнительный поршень, выполняющий также функцию компенсатора.

Объектом исследований является процесс кристаллизации Si из его расплавленного раствора с алюминием Al- Si с содержанием кремния, превышающим концентрацию в точке эвтектике на 20-30%. В исходный расплав для определения коэффициентов сегрегации будут контролируемо вводиться примеси B и P. В процессе роста в зависимости от задачи будут меняться слой расплава, из которого растет кристалл, осевой градиент температуры, скорость вытягивания, а также характеристики кремния (от чистого до металлургического качества) в питающем материале. Указанные параметры будут определены до начала эксперимента с помощью численного моделирования ростового КЭ.


    1. Порядок проведения КЭ

Подготовленный для проведения КЭ контейнер размещают внутри печи, соединяя его элементы с камерой печи и с узлом вытягивания. Имеющиеся термопарные и электрические выводы через кабельные разъемы соединяют с блоком и пультом управления. Затем контейнер разогревают с максимальной скоростью в зависимости от состава подготовленного сплава до 700-8700С на подставке с затравкой из монокристаллического кремния и, для первого типа КЭ, – до 10500С на ОТФ-нагревателе, осуществляя расплавление питающего материала и растворение затравочного кристалла. После двухчасовой выдержки на стадии гомогенизации, которая может сопровождаться дополнительным перемешиванием расплава с помощью наложения магнитного поля, начинают снижение температуры одновременно на подставке и ОТФ-нагревателе в соответствие с кривой ликвидуса для выбранной исходной концентрации раствора в жидкой фазе. Рост кристалла ограничен содержанием кремния в исходном сплаве и, соответственно, составляет 20-30% от высоты перекристаллизуемой заготовки. Стадию кристаллизации, позволяющую вырастить монокристалл кремния до 10-15 мм, осуществляют в зависимости от скорости роста в течение 4-12 суток.

Для реализации второго типа КЭ, когда ОТФ-нагреватель находится на расстоянии 5-10 мм от поверхности затравки, его разогревают до температуры 850-10000С в зависимости от слоя расплава, из которого будет идти рост кристалла, и содержания в нем кремния. При этом температуру на питающем кремниевом стержне ограничивают максимально допустимой температурой в печи для обеспечения наиболее интенсивного его растворения. После выдержки и гомогенизации начинают рост, при котором также как и в первом случае одновременно снижают в соответствии с кривой ликвидуса на подставке и ОТФ-нагревателе, а также вытягивают кристалл в холодную зону с рассчитанной заранее скоростью роста. Для компенсации обеднения раствора кремнием вблизи фазовой границы периодически (один раз в 2-4 часа) выравнивают концентрацию кремния в расплаве под ОТФ-нагревателем и над ним за счет перемещения с максимальной скоростью тигля до упора ОТФ-нагревателя в питающий стержень и обратно. Стадию кристаллизации, позволяющую благодаря подпитке вырастить монокристалл кремния до 50 мм, осуществляют в течение 200-250 часов в зависимости от выбранной скорости роста.

Для реализации условий полного перемешивания в жидкой фазе раствора весь процесс роста сопровождается действием вращающегося магнитного поля.

После достижения на границе фаз температуры 5700С, соответствующей точке эвтектике, кристаллизацию прекращают и осуществляют пассивное охлаждение контейнера при выключенных нагревателях. Охлажденный контейнер удаляют из печи.


    1. Принципиальные требования к условиям выполнения КЭ

Для реализации КЭ печь должна иметь несколько нагревательных секций, которые обеспечивают создание градиента температуры по ее оси в пределах от 50 до 1500С/см на общем уровне температуры в контейнере до 11000С. Среда проведения КЭ – вакуум не хуже 5×10-4 мм. рт. ст. Вытягивание должно осуществляться в диапазоне скоростей 0.2-2 мм/час и обеспечивать общее перемещение от 45 до 70 мм.

Для оптимизации конвекции в расплавленной зоне требуется создание вращающегося магнитного поля.

В отличие от реализации других методов роста, контроль и управление температурным режимом кристаллизации должны осуществляться по термопарам, расположенным внутри составного контейнера вблизи холодной границы затравки и в ОТФ-нагревателе. Требования к точности управления (стабильности поддержания заданного значения) – 0.15-0.20С.





    1. Технические особенности НА

ФГУП КБОМ разрабатывает в настоящее время НА – многозонную электровакуумную печь «МЭП-01», предназначенную для проведения в полуавтоматическом режиме экспериментов по космическому материаловедению полупроводниковых и иных материалов методами зонной плавки и направленной кристаллизации. Ее установка на Российском сегменте Международной космической станции (РС МКС) и начало работ планируется с 2013 г.

Конструкция технологического блока и технические возможности НА «МЭП-01» в целом позволяют реализовать КЭ. НА обеспечивает остаточное содержание газов в камере не хуже 10-5 мм рт. ст. за счет соединения камеры с окружающей средой за бортом станции. Устанавливаемая печь комплектуется нагревательными блоками разных типов: для зонной плавки и направленной кристаллизации. Печь имеет до 6 автономно работающих нагревательных секций, что вполне достаточно для нормального функционирования печи и дополнительных нагревательных элементов ОТФ-нагревателя. Имеющийся привод обеспечивает перемещение технологического контейнера со скоростью от 0.1 до 2000 мм/час на расстояние до 180 мм. НА включает в себя сменные нагревательные блоки с магнитным индуктором для проведения экспериментов во вращающемся магнитном поле.

В связи с тем, что КЭ проводится в рамках международной программы SiSSi, рассматривается возможность проведения КЭ на оборудовании ЕКА. В частности на вкладыше SQF (печи для кристаллизации и закаливания), являющимся дополнительно встраиваемым модулем к ранее разработанной и установленной на МКС печи MSL (лаборатории по материаловедению). Ее проектные характеристики обеспечивают проведение исследований при температуре до 14000С при осевом градиенте в печи до 150 0С/см, что позволяет в 3 раза увеличить скорость роста и, соответственно, почти в 3 раза сократить время КЭ.




  1. Новизна, оценка качественного уровня по сравнению с аналогичными отечественными и зарубежными исследованиями

Раствор Al-Si существует в жидкой фазе во всем диапазоне концентраций, в то время как в твердой фазе кремний в алюминии совсем не растворяется. Сказанное иллюстрируется фазовой диаграммой на рис. 1. Точке эвтектики соответствует температура 5770С и концентрация 11.7 at% Si. Сказанное означает, что при охлаждении системы Al-Si только часть кремния, превышающая значение его концентрации в эвтектике может быть получена в виде кристаллической фазы. Остальная часть материала представляет собой эвтектическую смесь и непригодна для выделения металлического кремния. В экспериментах [10,11] по затвердеванию жидкого сплава Al-Si в различных условиях обнаружены частицы кремния различной морфологии [12,13]. Вместе с тем систематическое изучение процесса сегрегации примесей и получение данных об их коэффициентах сегрегации невозможно без получения объемных кристаллов кремния из Al-Si сплава.




Рис. 1. Фазовая диаграмма для двойного соединения Al-Si
Оценка параметров кристаллизации, при которых возможно получение монокристаллического кремния сделана в работе [7]. В предположении чисто диффузионного механизма переноса кремния в жидкой фазе Al-Si получено выражение для скорости роста:

которая оказалась прямо пропорциональной тангенсу угла наклона кривой ликвидуса на фазовой диаграмме для системы Al-Si. При этом представляет собой коэффициент диффузии кремния в жидкой фазе, а - градиент температуры на границе раздела фаз. Используя значения =1.8×10-8 m2/s [14], и = 0.0011, найденное согласно рис.2. для температуры 9000С , оценки скорости роста для градиента температуры в 50 К/см дают величину 1.0×10-8 m/s, т.е. 0.0036 мм/час или 0.86 мм в сутки.





Рис. 2. К оценке из фазовой диаграммы для Al-Si
Опираясь на сделанные расчеты, авторы работы [7] провели несколько ростовых экспериментов по направленной кристаллизации с постоянным темпом охлаждения расплава 0.0167 К/с, но получить объемные кристаллы кремния не смогли.

  • Продольный разрез кристаллического слитка. Затравка слева.



  • Распределение концентрации примеси



  • Рассчитанная скорость роста




Рис. 3. Нарушение морфологической устойчивости при гранном росте монокристалла Ge
Неудачу следует связать с невозможностью обеспечить в применяемом ими методе Бриджмена необходимую по величине скорость роста, начиная с самого начала эксперимента. Превышение же критической скорости роста (см. рис. 3) неизбежно приводит к морфологической неустойчивости роста и срыву процесса формирования монокристалла [15]. Возможность выращивания объемного кристаллического кремния из его раствора с металлом доказывают экспериментальные работы, выполненные в университете Фрайбурга [16]. Ими из расплава Au-Si методом движущейся тепловой зоны был выращен кристалл кремния диаметром 10 мм. Скорость роста составляла около 0.5 мм в сутки при усредненной величине градиента вблизи фронта кристаллизации порядка 6 К/см. Поскольку расчетная величина оптимального осевого градиента, оцененная как 30 К/см, была достигнута лишь на периферии кристалла, то монокристалл кремния был сформирован только вблизи боковой стенки кварцевой ампулы. В то время как в центральной части слитка срыв процесса роста произошел практически в самом начале, что послужило причиной получения в этой области лишь поликристаллического материала.

В противоположность рассмотренным подходам рост кристаллов методом осевого теплового потока вблизи фронта кристаллизации (ОТФ методом) [17] обеспечивает создание и поддержание в течение всего ростового цикла заданные значения градиента температуры на фронте кристаллизации и постоянную скорость роста [18]. Глобальное моделировании ОТФ роста кристаллов германия [19] и его смеси с кремнием [20], выполненное с помощью программных пакетов CGSim и CrysMAS показало, что изотермы почти во всем объеме кристалла плоские (см. рис. 4а), а кривизну слегка выпуклого на стенках тигля фронта удается поддерживать в пределах нескольких десятых миллиметра при любой высоте выросшего кристалла (см. рис. 4.б). Типичное для ОТФ метода распределение температуры по объему кристалла и в области расплава, к нему примыкающей, позволяют обеспечить низкие значения термических напряжений в монокристалле благодаря небольшому по величине радиальному градиенту температуры.





(а)

(б)



Рис. 4. Температурное поле при росте кристалла Ge (a) и смеси Ge-Si (б)

Разработанная автоматическая система управления процессом выращивания кристалла [21] обеспечивает реализацию режима ОТФ кристаллизации за счет поддержания с высокой точностью (в пределах 0.05-0.10С) распределения температуры вокруг растущего кристалла. Рост кристалла в контролируемых условиях [22] показывает, что даже небольшое изменение темпа охлаждения может, как это показано на рис. 4, привести к значительному локальному увеличению скорости роста. Напротив, если на фронте кристаллизации поддерживаются оптимальные тепловые условия, то скорость роста сохраняется постоянной.



Рис. 4. Изменение реальной скорости роста кристалла CsI (Tl) при изменении тепловых условий кристаллизации

Вогнутый фронт

v=6 мм/ч, h=3-7 мм

Плоский фронт

v=1-6 мм/ч, h=2 мм

Выпуклый фронт

v=3 мм/ч, h=3 мм


Рис. 5. Рост кристаллов Cd0.8Zn0.2Te


Практика роста кристаллов в диффузионном режиме кристаллизации, в условиях, когда удается избежать вогнутой в кристалл формы фазовой границы, приводит к росту мало напряженных однородных кристаллов даже для тройных сплавов, таких как GaInSb [23] и CdZnTe [24,25]. Так, весьма обнадеживающие результаты были получены нами для соединений Cd0.8Zn0.2Te (см. рис. 5), в том числе и по плотности дислокаций, которая оказалась ниже 103 см-2.



Рост объемного кремния на монокристаллическую затравку в КЭ предполагается осуществлять с использованием ОТФ-нагревателя (см. рис.6), который позволяет дополнительно увеличить осевой градиент, и тем самым повысить скорость роста, а также с помощью термопар, в нем расположенных, контролировать температуру горячей границы системы расплав-кристалл. Температура холодной границы контролируется термопарами, расположенными в донышке тигля. Размещение ОТФ-нагревателя вблизи фазовой границы (рис. 6б) позволяет добиться ее плоской формы, а периодическое его перемещение относительно тигля – выровнять концентрации кремния по всему объему раствора в жидкой фазе. В сочетании с использованием питающего кремниевого стержня по аналогии с [26], находящегося в контакте с расплавом в верхней зоне тигля (рис. 6а) это дает возможность полностью компенсировать обеднение кремнием тонкой расплавленной зоны, из которой он растет.


Si source

AHP heater

Si-Al solute

Solidified Si

Si seed

Crucible


(а) (б)

Рис. 6. Схема метода с ОТФ-нагревателем, размещенным над расплавом (а) и погруженным в него (б)
Для описания процесса сегрегации в такой системе будут использованы математические подходы [27], учитывающие растворение Si в расплаве Al-Si перенос массы диффузией, как в жидкой, так и твердой фазах, движение границы расплав-кристалл, на которой фазовый состав определяется фазовой диаграммой системы. Предполагается при установлении условий диффузионно-контролируемой сегрегации для примесей B и P в растворе Al-Si, аналогично [28], провести сопоставительный анализ расчетных и экспериментально полученных данных распределения этих примесей в выросших образцах кремния. В ряде экспериментов будет изучено влияние вращающегося магнитного поля [29,30] на процесс растворения кремния и его переноса к фазовой границе для увеличения скорости роста, что может быть использовано в наземной технологии прямого получения кремния [31] из двойных металл-кремниевых расплавов. В качестве исходного материла для перекристаллизации предполагается использовать металлургический кремний «солнечного качества» [32].

В подготовке и проведении эксперимента будет оказана поддержка со стороны коллег по совместному международному проекту «Gravitational effects on heat and mass transport phenomena in directional solidification of upgraded metallurgical silicon for photovoltaic applications» (SiSSi), координируемому Европейским космическим агентством. Предполагается, что с учетом своего опыта и возможностей измерительной аппаратуры [33-35] Университет средней Швеции (Prof., T. Carlberg) примет участие в подготовке образов для исследований и совместно с норвежской компанией Sintef (Dr. E. Ovrelid) – в изучении состава полученных материалов. Университет Виктории (Prof. S. Dost) также примет участие в исследовании выращенных кристаллов, сосредоточив свои усилия [36,37] на изучении процесса растворения кремния и диффузии в жидкой фазе. Институт Фраунгофера, отделение солнечной энергетики в г. Фрайбурге (Dr. S. Riepe) взял на себя изучение вопросов химической устойчивости различных материалов оснастки [38] при взаимодействии с расплавом Al-Si. Западным университетом Тимишоара (Prof. D. Vizman) с использованием программного пакета CrysMAS [39] будет проведено глобальное численное моделирование ОТФ эксперимента. Расчеты будут сделаны непосредственно для НА «МЭП-01», что позволит спроектировать технологические контейнеры для проведения исследований в условиях микрогравитации и найти оптимальные условия для осуществления ростовых экспериментов.




  1. Ожидаемые результаты и их предполагаемое использование

Основной задачей, имея в виду возможности использования оборудования в условиях микрогравитации на борту МКС, является изучение фундаментальных проблем и технических аспектов, связанных с переносом массы диффузией в растворах системы металл-Si и влияния естественной и вынужденной конвекции на процесс сегрегации и ее характер. Целью таких исследований является формирование новых знаний в этой области и их приложение в соответствующей отрасли производства.

Для оптимизации роста кристаллов из указанных систем и уточнения параметров, определяющих процесс кристаллизации, наряду с запланированными ростовыми экспериментами предполагается проведение комплексного моделирования и численных расчетов. В том числе и с этой точки зрения, знание точных значений коэффициентов диффузии компонент и сегрегации примесей, других физических свойства расплавов является существенным.

КЭ предполагается осуществить наряду с проведением серии наземных опытов. В первую очередь, такие эксперименты необходимы для наладки самой НА в соответствии с требованиями КЭ к системе управления температурами. Проведенные работы расширят функциональные возможности НА «МЭП-01». Также предполагается проведение тестовых экспериментов по выращиванию объемных кристаллов кремния для проверки работоспособности самих ОТФ кристаллизаторов. Тестовые и эталонные эксперименты по кристаллизации Si завершат серию экспериментов с использованием НА «МЭП-01». Сопоставление полученных результатов даст необходимую информацию для изучения фундаментальных вопросов, описанных выше, а выращенные однородные образцы в условиях КЭ будут использованы для отработки наземной технологии получения кремния для солнечных элементов.



    1. Основными результатами КЭ будут следующие:



      1. Математическая модель переноса массы при кристаллизации Si из его раствора с алюминием с учетом реальной фазовой границы и диаграммы фазового состояния, существенной температурной зависимости коэффициента сегрегации, диффузии в расплаве и твердой фазе, а также воздействия магнитного поля.

      2. Численное моделирование концентрационной конвекции для набора определяющих параметров роста кристалла из раствора и процесса сегрегации в условиях слабых ламинарных течений расплава вблизи фазовой границы: толщины слоя расплава вблизи растущего кристалла и скорости его роста, формы фронта кристаллизации и градиента температуры на нем.

      3. Сравнительный анализ расчетов распределения примесей в объемном кристалле кремния с экспериментальными данными, измеренными на выращенных образцах.

      4. Рост кристаллов Si из обогащенного алюминием двойного расплава Al-Si в широком диапазоне концентрации второго компонента.



    1. Результаты предполагается использовать:



      1. Для уточнения модели растворения и кристаллизации кремния в металл-кремниевых расплавах.

      2. При выявлении влияния характера и интенсивности конвекции на процесс сегрегации при затвердевании концентрированных растворов Al-Si.

      3. Для нахождения коэффициентов сегрегации B и P в двойном расплаве Al-Si.

      4. Для совершенствования технологий очистки металлургического кремния солнечного качества и прямого получения кристаллического Si из двойных металл-кремниевых расплавов.




  1. Обоснование технической возможности создания НА с заданными характеристиками

Возможность доработки НА, необходимой для обеспечения условий выполнения КЭ, к настоящему моменту рассмотрена и принципиально с разработчиком НА согласована. В первую очередь доработка НА касается реализации возможности управления нагревом дополнительно одного нагревательного элемента (помимо секций печи), расположенного внутри составного контейнера. Также требуется регистрировать сигналы с термопар, расположенных не только стандартно около нагревательных секций печи, но и внутри контейнера. Это будет достигнуто за счет новой разработки комплекта кабелей, соединяющих между собой БУ, ПУ, дополнительные нагревательные элементы и термопары. Кроме того, будет выполнена доработка программного обеспечения для ПУ с целью реализации алгоритмов [21], обеспечивающих КЭ (процесс ОТФ кристаллизации).

Речь идет об исследовании печи «МЭП-01» как объекта управления. С этой целью планируется провести цикл вспомогательных экспериментов, направленных на реализацию управления температурой с точностью 0.05-0.150С по термопарам, расположенным внутри контейнера на тигле и в корпусе ОТФ-нагревателя. Для проверки найденных параметров регулирования, реализации и отладки программного обеспечения для ПУ будет проведено 2-3 вспомогательных эксперимента по выращиванию кристаллов.


  1. Характеристики рисков и дискомфорта для экипажа, связанных с КЭ

Риски в работе экипажа отсутствуют. Исследуемые материалы и окружающая среда вредных веществ не содержат. Элементы конструкции не используют кварцевое стекло; вероятность повреждения контейнера при его перемещениях и монтаже низкая. Экипажу предстоит осуществлять стандартную сборку и демонтаж элементов данной НА. Дополнительно потребуется закрепить контейнер еще в одной точке камеры, подсоединить специальный разъем. Управление режимом полностью автоматизированное. Экипаж запускает программу и следит за показаниями режима с помощью ПУ.



  1. Список цитируемой литературы




  1. www.setfor2020.eu

  2. M. A. Green, K. Emery, Y. Hishikawa, W. Warta, Solar Cell Efficiency Tables (Version 34), PROGRESS IN PHOTOVOLTAICS: RESEARCH AND APPLICATIONS, Prog. Photovolt: Res. Appl. 2009; 17:320–326

  3. S. Pizzini, M. Acciarri, S. Binetti, From electronic grade to solar grade silicon: chances and challenges in photovoltaics, Phys. Stat. Sol., 202 No. 15, (2005) 2928-2942

  4. N. Yuge, et al., Purification of metallurgical-grade silicon up to solar grade, Prog. Photovolt: Res. Appl., 9 (2001) 203-209

  5. C.P. Khattak, D.B. Joyce, F. Schmid, Production of low-cost solar grade (SOG) silicon feedstock, (2002) IEEE

  6. T. Yoshigawa, K. Morita, Refining of silicon during its solidification from a Si-Al melt, J. Crystal Growth 311 (2009) 776-779

  7. T. Yoshigawa, K. Morita, Refining of Si by the Solidification of Si-Al Melt with Electromagnetic Force, ISIJ International, Vol. 45, No 7 (2005), pp. 967-971.

  8. Y. Azuma, N. Usami, T. Ujihara, G. Sazaki, Y. Murakami, S. Miyashita, K. Fijiwara, K. Nakajima, Growth of SiGe bulk crystal with uniform composition by directly controlling the growth temperature at the crystal-melt interface using in situ monitoring system. J. Crystal Growth 224 (2001) 204.

  9. M. Yildiz, S. Dost, B. Lent, Growth of bulk SiGe single crystals by liquid phase diffusion, J. Cryst. Growth 280 (1–2) (2005) 151–160.

  10. C.L. Xu, H.Y. Wang, C. Liu, Q.C. Jiang, Growth of octahedral primary silicon in cast hypereutectic Al-Si alloys, J. Cryst. Growth, 291 (2006) 540-547

  11. T. Carlberg: Silicon Crystal Formation during DC Casting of Aluminium-Silicon Alloys. Light Metals (2009), TMS Feb. (2009), Ed. Geoff Bearne, p837-841.

  12. C.L. Xu, Q.C. Jiang, Morphologies of primary silicon in hypereutectic Al-Si alloys with melt overheating temperature and cooling rate, Mater. Sci. and Eng. A 437 (2006) 451-455

  13. M.W. Ullaha and T. Carlberg. Silicon crystal morphologies during solidification refining from Al–Si melts. Journal of Crystal Growth (2011) in press.

  14. M. Petrescu. Z. Metallkd., 61 (1970) 14.

  15. S.V. Bykova, V.D. Golyshev, M.A. Gonik, et al. The experimental–numerical investigation of instability of faceted Ge doped by Sb growth on the base of AHP method, J. Cryst. Growth 275/1-2 (2005) 229-236.

  16. A. Croll, personal communication, 2010.

  17. V.D. Golyshev, M.A. Gonik. A temperature field investigation in case of crystal growth from the melt with a plane interface on exact determination thermal conditions, Cryst. Prop. and Preparation, 36-38 (1991) 623.

  18. М.А.Гоник, Установка для выращивания монокристаллов методом осевого теплового потока вблизи фронта кристаллизации, патент РФ № 2007141499, 2007.

  19. M.A. Gonik, A.V. Lomokhova, M.M. Gonik, A.T. Kuliev, A.D. Smirnov. J. of Crystal Growth, 303/1, (2007) 180-186.

  20. M.A. Gonik, T.V. Nizkaya, M.M. Gonik, T. Jung, J. Friedrich. Combined Thermal and Control Model for AHP Crystal Growth, Abstracts of the ACCGE-17 Conference, Lake Jeneva, Wisconsin, 2009.

  21. М.А.Гоник, М.М. Гоник, В.А. Лобачев, В.Б.Цветовский Способ управления процессом выращивания кристаллов из расплава, патент РФ № 2007141295, 2007.

  22. М.А. Гоник, Т.В. Ткачева. Выращивание монокристаллов-сцинтилляторов йодистого цезия в контролируемых условиях. Неорганические материалы 2007, т. 43, № 11, с. 1401-1408.

  23. P.A. Dutta, A.G. Ostrogorsky, Suppression of cracks in InxGa1-xSb crystals through forced convection in the melt. J. Crystal Growth 194 (1998) 1-7.

  24. S. V. Bykova, V. D. Golyshev, M. A. Gonik, V. B. Tsvetovsky, A. Yeckel, J. Derby, A.S. Tomson. Abstracts of the ICCG-14, Grenoble, France, 9-13 August 2004, p. 283

  25. М.А. Гоник, М.М. Гоник, А.С. Томсон. Влияние условий кристаллизации на однородностью состава монокристаллов CdZnTe. Неорганические материалы, т. 45, № 10, (2009) 1103-1113.

  26. Yildiz, M., S. Dost, B. Lent, Growth of bulk single crystals by liquid phase diffusion. J. Crystal Growth, 280/1-2, (2005) 151-160.

  27. O.S. Mazhorova, I.A. Denisov, Yu.P. Popov, A.V. Elyutin. Numerical study for diffusion processes in dissolution and growth of CdxHg1-xTe/CdTe heterostructures formed by LPE. Part I. J. of Crystal Growth, 290 (2006), p. 350-356.

  28. P.A. Dutta, A.G. Ostrogorsky, Segregation of tellurium in GaSb single crystals and associated diffusion coefficient in the solute layer. J. Crystal Growth 197 (1999) 749 Р754.

  29. A.S. Senchenkov, I.V. Barmin, A.S. Tomson, V.V. Krapukhin. Seedless THM Growth of CdxHg1-xTe (x~0.2) Single Crystals within Rotating Magnetic Field. Journal of Crystal Growth, 197 (1999), pp. 552-556.

  30. A.S. Senchenkov, I.V. Barmin. Application of rotating magnetic field to semiconductor crystal growth in Space. Magnetohydrodynamics, Vol.39, (2003), No.4, 531-538.

  31. М.А. Гоник, А.И. Непомнящих. Использование погруженного ОТФ нагревателя для выращивания мультикристаллического кремния. Тезисы докладов IV международной конференции «КРЕМНИЙ-2008», Черноголовка, 1-4 июля 2008, с. 145.

  32. А. И. Непомнящих, В. П. Еремин, Б. А. Красин, и др. Мультикристаллический кремний для солнечной энергетики, «Материалы электронной техники», № 4, 2002 г.

  33. T. Carlberg: A Review of Radial Segregation in Crystal Growth during Microgravity. Progress in Cryst. Growth and Charac. of Materials, 52 (2006), p213-222.

  34. T. Carlberg: Silicon Crystal Formation during DC Casting of Aluminium-Silicon Alloys. Light Metals (2009), TMS Feb. (2009), Ed. Geoff Bearne, p837-841.

  35. E. J. Øvrelid, A. N. Wærnes, S. Santen, O. Raaness, E. Olsen, B. Geerligs. Metallurgical production of solar grade silicon, Silicon for the chemical industry, Trondheim, Norway, July, 2006, pp. 223-234.

  36. Yildiz, M., and S. Dost, “A Computational Model for the Liquid Phase Diffusion Growth of SiGe Single Crystals,” Int. J. Engn. Sci., 43(13-14), 1059-1080, 2005.

  37. Armour, N., S. Dost, and B. Lent, “Effect of Free Surface and Gravity on Dissolution in Germanium Melt,” J. Crystal Growth, 299, 227-233, 2007.

  38. Riepe, S., M. Schumann, et al. Silicon material technology and evaluation center (SIMTEC) at Fraunhofer ISE -achievements and visions. in Proceedings of the 23rd European Photovoltaic Solar Energy Conference. 2008. Valencia, Spain.

  39. D. Vizman, J. Friedrich, G. Mueller, 3D time-dependent numerical study of the influence of the melt flow on the interface shape in a silicon ingot casting process, Journal of Crystal Growth 303 (2007) 231-235.

Научный руководитель эксперимента:

М.А. Гоник

кандидат технических наук, с.н.с.

Головной исполнитель (постановщик):

М.П. Галанин

доктор физико-математических наук, профессор








Преступление — дело невыгодное; всякий преступник рано или поздно будет наказан за неправильную парковку. Тед Зайглер
ещё >>