PDF《石墨表面熔融硅的润湿行为研究 程广贵 张忠强 丁建宁 袁宁一 ...》

47 ?m厚的薄单晶硅太阳 能电池的光电转换效率达到了 21.5% [1] , 略低于十 几年后采用

450 ?m 厚的单晶硅片制造太阳电池所 创的世界纪录值 (25%) [2] .

2014 年, Zhang 等[3] 进 一步将硅片厚度降至

18 ?m 获得了 18.2% 的光电 转换效率. 这些研究工作表明, 太阳电池制造过程 中实际需要的硅厚度非常小, 几十微米厚的硅片已 经足以吸收太阳光, 获得较高的光电转换效率. 采 用多线切割技术制造的厚度为

200 ?m 的超薄硅片 中仅有

50 ?m 左右厚的硅片对电池的光电转换效 率有贡献, 其余部分没有能够发挥其电学方面的作 用, 仅仅起到一个支撑作用. 若能基于新的原理或理论, 创新地实现超薄硅 片的一次成型制造, 则可以极大地降低硅片及太阳 电池的制造成本. 材料的表面与界面效应是一个重 要的研究领域, 产生于界面的各种作用力如范德瓦 尔斯力、 表面张力 [4] 、 热毛细力 [5] 等对表面运动行 为具有重要影响. 随着研究对象尺度的不断减小, 材料或结构的比表面积增加, 体积力影响逐渐减 弱, 表面力 (或界面力) 开始起主导作用 [6] . 毛细作 ? 国家自然科学基金重点项目 (批准号: 51335002)、 江苏省战略性新兴产业重点支持项目 (批准号: 苏建财 2015-318) 和江苏高校优 势学科建设工程资助的课题. ? 通信作者. E-mail: [email protected] ? 通信作者. E-mail: [email protected] ?

2017 中国物理学会 Chinese Physical Society http://wulixb.iphy.ac.cn 036801-1 物理学报Acta Phys. Sin. Vol. 66, No.

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036801 用在微尺度下表现出极大的可利用性 [7] . Parthiv 等[8] 在理论研究的基础上提出一种基于热毛细效 应的超薄硅片提拉制造方法, 并对硅片厚度的影响 因素开展了研究. Benoit 等[9,10] 研究了自由表面 热毛细效应的稳定性, 并提出将其应用于金属薄膜 的制备. 刘照华等 [11] 采用实验方法研究了高温氧 化物溶体中的表面张力对流效应, 发现了稳态与非 稳态状态下的热毛细对流流线的变化规律. 陈淑仙 等[12] 研究浮力、 热毛细力、 离心力等作用下直拉单 晶法的砷化镓单晶生长中熔体流动状态转换规律, 得到了能描述不同条件下熔体流动状态的流动区 域图. Yu等[13] 采用多场耦合下三维全局数值模拟 的方法研究和改进了导模法制备蓝宝石过程中的 温度场. Ranjan 等[14] 借鉴 Pilkington 的悬浮玻璃 法, 提出与 Shockley [15] 类似的横向拉膜法并成功 制备了冰的薄片. 目前, 借助热毛细效应采用提拉方法制备超薄 硅片比较成熟的工艺是垂直提拉法, 但在硅带生长 过程中仍然存在的边缘稳定性差、 压力无法控制和 生产效率低等问题. 为制备质量可控的硅带, 就必 须有稳定的硅带生长环境, 而其核心在于对超薄硅 片拉制过程中的力学行为进行精确控制. 因此, 研 究硅带生长过程中熔融硅在热毛细效应下的润湿 特性具有重要意义. Jeong 等[16] 运用 FLUENT 软 件模拟了基底带状生长法的拉制过程, 分析了拉升 速度对散热率的影响. Hess 等[17] 研究了基底带状 生长法中晶体缺陷对硅带质量的影响, 发现了杂质 浓度较高是限制该法所制硅带性能的主要原因. 作 者此前针对超薄硅片连续提拉制造过程中的热毛 细问题, 采用微流动两相流理论模拟研究了壁面材 质和温度场对熔融硅润湿角的影响 [18] . 为进一步 研究热毛细效应在超薄硅片横向拉制成型中的作 用机制, 本文采用实验、 模拟与理论计算相结合的 方法, 对熔融硅在石墨表面的润湿过程开展研究, 以揭示高温环境下熔融硅液滴在具有不同粗糙度 的石墨表面的润湿机理及其影响规律, 为横向拉制 超薄硅片提供理论指导.