定向凝固法制备多晶硅的现状
对于太阳能电池等光伏产品而言，转化效率是备受瞩目的一个性能参数。影响多晶硅在太阳能电池中光电转换效率的因素主要有两个方面：一方面是硅晶体的纯度，即使材料中只含有少量的杂质，也会对电池的光电性能有很大的影响；另一方面是材料中的各种缺陷，例如多晶硅中的晶界、位错与杂质聚集而成的载流子复合中心，会大大降低多晶电池的效率。
应用定向凝固法生产多晶硅，是通过控制炉体内硅熔体的温度场，形成特定方向的温度梯度从而使得熔体沿着与热流相反的方向定向凝固，并获得具有特定取向柱状晶的技术过程。为了保证结晶过程平稳，降低晶体中结构缺陷和杂质，就要求前方熔体中尽可能不含游离晶核，此外还要求温度梯度大小保持在适合的范围，温度梯度方向不出现波动等，因此对设备和温度场的控制要求都比较高，总之，在实际生产中使用定向凝固法，可能会遇到的困难主要有以下两大方面：
（1）熔体温度场的设计和控制要求高，但是实际测量和控制手段有限，不容易实现精确控制；
（2）太阳能级多晶硅对缺陷和杂质的要求苛刻，成品率不高，实际生产前需要对炉体进行大量优化，此外还需要对所生产的产品质量进行综合预测分析。
定向凝固法制备多晶硅的模拟需求
由于决定多晶硅光电转化效率的因素例如晶粒尺寸、晶体缺陷、内应力及杂质分布等，都与定向凝固工艺密切相关，特别是与炉体中的温度场，流场等密切相关。因此，为了提高多晶硅的质量，必须对定向凝固的工艺过程加以分析和优化，这主要是对定向凝固炉体热场，熔体流场的多物理场的分析与优化。
随着高速计算机的迅速发展，数值模拟方法已经发展成为解决这一类实际问题的一种重要手段。运用数值模拟技术对多晶硅定向凝固技术所涉及的多物理场进行分析和研究，成为目前国内外广泛采用的分析手段，且有很多成功的案例。
应用数值模拟仿真技术不仅能综合分析多晶硅缺陷与温度场，流场的关系,还能分析多晶硅定向凝固工艺中，热导率、加热功率、氩气流动状态、外加磁场及定向凝固系统结构等对温度场的影响，可为缩减能耗，优化生产提供重要的参考信息。
FEMAG解决方案
FEMAG/DS是FEMAG软件专门为定向凝固技术开发的专用软件，该软件致力于为定向凝固晶体生长技术提供专业的仿真模拟与数据分析服务，可以实现的模拟参数包括热场，流场，应力，缺陷分布等，还可以用于分析炉体结构，热功率，气流状态等，实现工艺的优化设计。
FEMAG/DS的技术案例
熔体流场热场耦合分析
FEMAG/DS可以实现定向凝固过程中熔体复杂流场和热场的耦合分析，包括由温度梯度和表面张力引起的Marangoni效应，以及对流对温度场的影响等等。
下图是对定向凝固过程的三维模拟，图1中显示了温度梯度变化以及熔体流动的变化。
在定向凝固工艺中，因为熔体的流动不剧烈，因此Marangon效应比较显著。图2案例是对Marangoni 效应的分析，（a）图是没有Marangoni 效应对应的温度场和流场分布情况，（b）图是存在Marangoni效应的情况下对应的温度场和流场，可以到熔体内由于横向温度梯度和表面张力的影响产生的Marangoni效应对熔体流动影响也是很大的。图3图4用3D模拟来展示了强Marangoni效应下的熔体流动情况以及对应的温度梯度。
对定向凝固过程，熔体的凝固界面主要受到炉体温度场的影响，同时也受到熔体对流的影响，下面案例是对太阳能级多晶硅定向凝固的热流和熔流的全局耦合分析，以及熔体流动对温度场和凝固界面的影响。
（a）图是只分析热场对凝固的影响，（b）图同时耦合分析了热场和对流的影响，可以看到在引入对流的耦合分析后，等温凝固界面比只分析热场时的凝固界面更平直。
杂质缺陷分布动态模拟
FEMAG/DS可以动态地模拟分析晶体和熔体中氧碳等杂质的分布，下图案例是对多晶硅晶体和熔体中氧和碳的分布情况的三维模型分析。
关于FEMAG
FEMAG是全球首款商业的晶体生长模拟仿真软件。从二十世纪八十年代开始，FEMAG公司就着力为全球用户开发最专业的晶体生长数值计算仿真工具，经过三十多年的不断发展，已经为全球绝大多数晶体设备供应商、半导体材料科研机构等提供设计、优化其晶体生长工艺过程的帮助。
FEMAG公司总部位于比利时，FEMAG公司创始人和首席科学家、新鲁汶大学教授Dr. François Dupret是国际著名晶体生长和流体力学专家、第二届晶体生长模型国际研讨会主席、EUROTHERM相变热力学研讨会联合主席、机械工程学位委员会主席，曾担任国际晶体生长（ Journal of Crystal Growth ）期刊主编。作为国际上晶体生长数学模型构建和数值仿真计算的领导者和奠基人，其开创性的产品FEMAG在国际上广受欢迎，用户遍及全球。
