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1.太陽能電池與光伏晶體

    太陽能是21世紀(jì)最具潛力的一項新能源。通過太陽光電系統(tǒng)，利用光伏半導(dǎo)體材料的光生伏特效應(yīng)，可以將太陽能轉(zhuǎn)化為直流電能。光伏設(shè)施的核心是太陽能電池板。近年來由于各國都在積極推動可再生能源的應(yīng)用，光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展十分迅速。

    常見的太陽能電池類型主要有晶體硅電池，薄膜涂層電池等。根據(jù)電池類型不同，用來發(fā)電的半導(dǎo)體材料也不同，主要有：單晶硅、多晶硅、非晶硅、砷化鎵及碲化鎘等。目前應(yīng)用最廣、最成熟的是晶體硅太陽能電池。

    據(jù)預(yù)測，太陽能光伏發(fā)電在21世紀(jì)將成為世界能源供應(yīng)的主體。預(yù)計到2030年，可再生能源在總能源結(jié)構(gòu)中將占到30%以上，而太陽能光伏發(fā)電在世界總電 力供應(yīng)中的占比也將達(dá)到10%以上；到2040年，可再生能源將占總能耗的50%以上，太陽能光伏發(fā)電將占總電力的20%以上；到21世紀(jì)末，可再生能源 在能源結(jié)構(gòu)中將占到80%以上，太陽能發(fā)電將占到60%以上。

2.光伏晶體的轉(zhuǎn)化效率

    以晶體硅太陽能電池為例，其工作原理圖表明硅晶體是太陽能電池的核心結(jié)構(gòu)，將硅晶體制成PN結(jié)吸收光子能量，通過形成自由電子和空位的流動，使不同部位之 間產(chǎn)生電勢差，并通過電極接入電路提供電源。其他類型的太陽能電池根據(jù)取材不同，在光吸收頻率和轉(zhuǎn)化效率以及制備成本方面各有優(yōu)勢，但其工作原理都是相同 的。太陽能電池核心部件都是對應(yīng)的半導(dǎo)體晶體或薄膜。

    研究表明，晶體的缺陷對電能轉(zhuǎn)化率和光吸收率有極大的影響，嚴(yán)重制約著太陽能電池的普及應(yīng)用。目前單晶硅的轉(zhuǎn)化率最高，理論值約為25%。此外，由于晶體制備工藝復(fù)雜，太陽能電池成本普遍偏高，晶體制備成本成為了太陽能電池生產(chǎn)成本的主要構(gòu)成。

    如何提高光伏晶體生產(chǎn)質(zhì)量和效率，如何降低成本，成為了使太陽能電池普及應(yīng)用首先要解決的關(guān)鍵問題。

    在太陽能電池中普遍使用的單晶硅，多晶硅，CdTe，GeAs等晶體，在工業(yè)上多采用提拉法，定向凝固法，區(qū)熔法晶體等生長工藝制備。其制備工藝和控制條件復(fù)雜，影響因素甚多，例如生長爐體的傳熱，熔體對流等都會對晶體質(zhì)量以及太陽能電池的性能產(chǎn)生很大影響。

    精確控制熱場，分析晶體生長質(zhì)量，預(yù)測晶體缺陷，是提高原料利用率和成品率，降低太陽能電池生產(chǎn)和研發(fā)成本的重要途徑，也是促進(jìn)太陽能電池技術(shù)革新，推進(jìn)太陽能電池應(yīng)用普及的重要手段。

3.光伏晶體生長FEMAG解決方案

    FEMAG軟件是一款專業(yè)的晶體生長模擬軟件，對于典型的晶體生長工藝，例如提拉法、區(qū)熔法、定向凝固法以及坩堝下降法等，其仿真精度都處于世界領(lǐng)先地 位，能夠優(yōu)化單晶硅，多晶硅，GeAs晶體等光伏晶體的生產(chǎn)質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率和成品率，大幅降低太陽能電池成本。

    利用FEMAG可以實現(xiàn)：

    （1）全局的熔體氣體對流與熱場分析

    利用FEMAG/CZ在不同氣體流量下（500，1500，3000，4500L/h）對直拉法單晶硅的全局對流模擬，其中（a）（b）是熱場圖（c）（d）是流場圖。利用FEMAG可以優(yōu)化晶體生長工藝，優(yōu)化熱場，提高晶體質(zhì)量，減小能耗。

圖3.1不同氣體流量下的熔體氣體對流

（2）晶體缺陷預(yù)測分析

    利用FEMAG可以分析晶體生長過程的含氧量分布以及空位和缺陷濃度預(yù)測，為晶體生長質(zhì)量優(yōu)化提供依據(jù)。

圖3.2 FEMAG/CZ缺陷分析（a）溫度場（b）Ci-Cv缺陷（c）Ci-Cv缺陷

（3）熔體特殊流場分析

    FEMAG軟件具有先進(jìn)的流體分析算法，對定向凝固等工藝中復(fù)雜流體模式（例如Marangon效應(yīng)）能夠獲得精確的分析結(jié)果。

圖3.3 FEMAG/DS分析Marangoni效應(yīng)下的流場和溫度場

（4）磁場與流場耦合分析

    對于晶體生長工藝中常用的坩堝旋轉(zhuǎn)與外加磁場優(yōu)化，F(xiàn)EMAG也能夠提供復(fù)雜耦合場作用下晶體生長過程的精確模擬，為工藝優(yōu)化提供參考。

圖3.4（a）無旋轉(zhuǎn)無磁場     （b）無旋轉(zhuǎn)有磁場       （c）有旋轉(zhuǎn)有磁場

（5）DS定向凝固模擬技術(shù)

     利用FEMAG/DS軟件可以高效地計算出工藝過程中熱傳遞、熔體對流、固液界面、碳/氧化物/雜質(zhì)分布等結(jié)果。圖2.16為利用FEMAG/DS軟件模擬多晶硅錠定向凝固生長的流速與溫度場分布。圖2.17為多晶硅錠定向凝固生長中氧與碳的濃度分布。

4.關(guān)于中仿科技（CnTech）公司

    近年來，中國已經(jīng)成為全球最大的光伏制造基地和半導(dǎo)體材料消費市場，同時，處于全球競爭體系中的本土半導(dǎo)體設(shè)備企業(yè)面臨著國際半導(dǎo)體設(shè)備公司的壟斷，國內(nèi)的晶體設(shè)備廠商要破除國際壟斷的堅冰，就需要做到更靈敏的反應(yīng)、靈活的研發(fā)和加倍的努力。

    中仿科技（CnTech）與比利時FEMAG公司深度強強合作，本著“根植中國，服務(wù)全球”的理念，共同在中國設(shè)立中仿FEMAG研發(fā)中心，將國際一流的 數(shù)值算法及數(shù)字仿真技術(shù)引入中國，研發(fā)更適合中國市場并完全擁有中國自主知識產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品，服務(wù)中國并輻射全球用戶。中仿FEMAG研發(fā)中心以具有前瞻性技 術(shù)的產(chǎn)品、強大的協(xié)同創(chuàng)新能力、優(yōu)質(zhì)的技術(shù)支持，讓本土高端裝備、材料科學(xué)、半導(dǎo)體、集成電路、LED、晶體設(shè)備廠商和科研用戶更富有競爭力。

    中仿科技（CnTech）成立于2003年，是中國領(lǐng)先的仿真分析軟件和系統(tǒng)解決方案的提供者。中仿科技依靠自主創(chuàng)新研發(fā)擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的中仿CAE系 列產(chǎn)品，同時與國際上領(lǐng)先的數(shù)值仿真技術(shù)公司擁有長期而緊密的合作關(guān)系，具備較強的自主研發(fā)能力和創(chuàng)新能力，能夠為中國企業(yè)和科研機構(gòu)提供世界一流的仿真 技術(shù)解決方案。