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Bitte beziehen Sie sich beim Zitieren dieses Dokumentes immer auf folgende
URN: urn:nbn:de:bsz:25-opus-81539
URL: http://www.freidok.uni-freiburg.de/volltexte/8153/


Simon, Peter

Untersuchung von Stofftransportmechanismen und Konvektion in einem Vertical Gradient Freeze Ofen zur Siliziumerstarrung

Investigation of mass transport mechanisms and convection in a vertical gradient freeze furnace for silicon solidification

Dokument1.pdf (24.184 KB) (md5sum: d04bc848cf14840fde8e158053ba4f99)

Kurzfassung in Deutsch

Die folgende Arbeit dient der grundsätzlichen Aufklärung von Stofftransportprozessen in der Ofenatmosphäre, sowie dem Verständnis der Kinetik von Atmosphäre und Schmelze unter Berücksichtigung der Zuleitung von Argon. Die Simulationen wurden mit experimentellen Ergebnissen abgeglichen. Als Modellsystem diente ein Vertical Gradient Freeze (VGF) Ofen der Firma PVA TePla AG. Dabei handelt es sich um einen Prototyp einer Blockerstarrungsanlage für multikristallines Solarsilizium für Tiegelgröße bis 250 Kg. Um Effekte die von der Dimension des Systems mitbestimmt werden („scaling effects“) zu minimieren, wurde entschieden ein System industrieäquivalenter Größe zu nutzen. Als Werkzeug zur Abbildung der inneren Prozesse würde das Computational Fluid Dynamics (CFD) Simulationsprogramm Fluent genutzt.
Der Wirkungsgrad der photovoltaische Energiewandlung ist u. a. materialabhängig, so das an einer weiteren Verbesserung des Ausgangsmaterials (Wafermaterials) zu arbeiten ist. Aus diesem Grund wurden in dieser Arbeit Prozesse in einer Kristallisationsanlage durch numerische Simulationen nachgebildet. Die Intension war es, dadurch die während der Kristallisation aufgetretenen Abläufe besser zu verstehen und zu optimieren. Dazu wurde der Einfluss des atmosphärischen Druckes und des Masseflusses auf die Distribution von Kohlenmonoxid (CO) auf der Oberfläche der Schmelze untersucht. Dies dient dazu die freie Oberfläche als Kohlenstoffquelle für die Schmelze besser beschreiben zu können und die Einflussparameter auf diese Quelle zu bestimmen. Zur Ableitung eines Modells für die CO- Verteilung wurde die Dynamik der Atmosphäre herangezogen. Die dafür notwendige Datenbasis entstand durch eine Variation von Druck und Massefluss (Druck [20000; 200000] Pa, Massenflussrate [1,875; 120] Standardlitern pro Minute). Eine Abschätzung der Kristallisation entstand durch ein statisches Verfahren. Dies geschah um prinzipielle Informationen über den Verlauf der Phasengrenze sowie die Konvektion der Schmelze zu erhalten. Insbesondere wurde auf den Einfluss der punktuellen Unterkühlung der Schmelze durch den Argonstrahl auf das Strömungsverhalten geachtet.


Kurzfassung in Englisch

The following works is the elucidation of fundamental transport processes in a furnace atmosphere, and the understanding of the kinetics of the melt and atmosphere, taking into account the supply of argon. Simulations were compared with experimental result. The used model system was a vertical gradient freeze (VGF) furnace from the company PVA TePla. It is a prototype of an ingot solidification system for multi-crystalline solar silicon for crucible sizes up to 250 Kg. To minimize scaling effects a system of industry-equivalent size was chosen. As a tool for mapping the internal processes, Computational Fluid Dynamics (CFD) simulation program Fluent was used.
The efficiency of photovoltaic energy conversion, among other things, depends on the material. The further improvement of the raw material (wafer material) is a major goal. For this reason, in this work crystallization processes were modeled by numerical simulations. The intention was to understand the phenomena occurring during the crystallization processes and to optimize them. To descript the melt free surface as carbon source for the melt will needed information about the parameter of influence (pressure, argon mass flow rate) of this source. This necessary data base was created by varying of this parameters (pressure [20000; 200000] Pa, argon mass flow rate [1,875; 120] l/min). To derive a model for the CO distribution, the dynamics of the atmosphere were used. An estimate of the crystallization was created by a static method. This happened to basic information about the coerce of the phase boundary and to obtain the convection of the melt. Particular attention was paid to influence of the Argon beam on the melt flow behavior.


SWD-Schlagwörter: Hydrodynamik , Argon , Silicium , Kohlenstoff , Halbleiterschmelze, Atmosphäre, Spülung, Kontamination, Verteilung, Distribution, Konvektion, Strömung
Freie Schlagwörter (deutsch): Silizium für Photovoltaik , 3d Simulationen , Agonfluss , Strömung der Schmelze , Kohlenstoffverteilung Schmelzoberfläche
Freie Schlagwörter (englisch): Silicon for photovoltaics, 3d simulations, Agon flow, flow of molten silicon, carbon distribution on silicon melt surface
PACS Klassifikation 05-12-44-4
Institut: Kristallographisches Institut
Fakultät: Fakultät für Chemie, Pharmazie und Geowissenschaften
DDC-Sachgruppe: Geowissenschaften, Geologie
Dokumentart: Dissertation
Erstgutachter: Cröll, Arne (Prof. Dr.)
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 07.07.2011
Erstellungsjahr: 2011
Publikationsdatum: 17.08.2011
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