FEMAG晶体生长数值模拟技术在太阳能光伏行业的应用
1、太阳能电池与光伏晶体
太阳能是21世纪最具潜力的一项新能源。通过太阳光电系统，利用光伏半导体材料的光生伏特效应，可以将太阳能转化为直流电能。光伏设施的核心是太阳能电池板。近年来由于各国都在积极推动可再生能源的应用，光伏产业的发展十分迅速。
常见的太阳能电池类型主要有晶体硅电池，薄膜涂层电池等。根据电池类型不同，用来发电的半导体材料也不同，主要有：单晶硅、多晶硅、非晶硅、砷化镓及碲化镉等。目前应用最广、最成熟的是晶体硅太阳能电池。
据预测，太阳能光伏发电在21世纪将成为世界能源供应的主体。预计到2030年，可再生能源在总能源结构中将占到30%以上，而太阳能光伏发电在世界总电力供应中的占比也将达到10%以上；到2040年，可再生能源将占总能耗的50%以上，太阳能光伏发电将占总电力的20%以上；到21世纪末，可再生能源在能源结构中将占到80%以上，太阳能发电将占到60%以上。
2、光伏晶体的转化效率
以晶体硅太阳能电池为例，其工作原理图表明硅晶体是太阳能电池的核心结构，将硅晶体制成PN结吸收光子能量，通过形成自由电子和空位的流动，使不同部位之间产生电势差，并通过电极接入电路提供电源。其他类型的太阳能电池根据取材不同，在光吸收频率和转化效率以及制备成本方面各有优势，但其工作原理都是相同的。太阳能电池核心部件都是对应的半导体晶体或薄膜。
研究表明，晶体的缺陷对电能转化率和光吸收率有极大的影响，严重制约着太阳能电池的普及应用。目前单晶硅的转化率最高，理论值约为25%。此外，由于晶体制备工艺复杂，太阳能电池成本普遍偏高，晶体制备成本成为了太阳能电池生产成本的主要构成。
如何提高光伏晶体生产质量和效率，如何降低成本，成为了使太阳能电池普及应用首先要解决的关键问题。
在太阳能电池中普遍使用的单晶硅，多晶硅，CdTe，GeAs等晶体，在工业上多采用提拉法，定向凝固法，区熔法晶体等生长工艺制备。其制备工艺和控制条件复杂，影响因素甚多，例如生长炉体的传热，熔体对流等都会对晶体质量以及太阳能电池的性能产生很大影响。
精确控制热场，分析晶体生长质量，预测晶体缺陷，是提高原料利用率和成品率，降低太阳能电池生产和研发成本的重要途径，也是促进太阳能电池技术革新，推进太阳能电池应用普及的重要手段。
3、光伏晶体生长FEMAG解决方案
FEMAG软件是一款专业的晶体生长模拟软件，对于典型的晶体生长工艺，例如提拉法、区熔法、定向凝固法以及坩埚下降法等，其仿真精度都处于世界领先地位，能够优化单晶硅，多晶硅，GeAs晶体等光伏晶体的生产质量，提高生产效率和成品率，大幅降低太阳能电池成本。
利用FEMAG可以实现：
（1）全局的熔体气体对流与热场分析
利用FEMAG/CZ在不同气体流量下（500，1500，3000，4500L/h）对直拉法单晶硅的全局对流模拟，其中（a）（b）是热场图（c）（d）是流场图。利用FEMAG可以优化晶体生长工艺，优化热场，提高晶体质量，减小能耗。
图3.1不同气体流量下的熔体气体对流
（2）晶体缺陷预测分析
利用FEMAG可以分析晶体生长过程的含氧量分布以及空位和缺陷浓度预测，为晶体生长质量优化提供依据。
图3.2 FEMAG/CZ缺陷分析（a）温度场（b）Ci-Cv缺陷（c）Ci-Cv缺陷
（3）熔体特殊流场分析
FEMAG软件具有先进的流体分析算法，对定向凝固等工艺中复杂流体模式（例如Marangon效应）能够获得精确的分析结果。
图3.3 FEMAG/DS分析Marangoni效应下的流场和温度场
（4）磁场与流场耦合分析
对于晶体生长工艺中常用的坩埚旋转与外加磁场优化，FEMAG也能够提供复杂耦合场作用下晶体生长过程的精确模拟，为工艺优化提供参考。
图3.4（a）无旋转无磁场 （b）无旋转有磁场 （c）有旋转有磁场
（5）DS定向凝固模拟技术
利用FEMAG/DS软件可以高效地计算出工艺过程中热传递、熔体对流、固液界面、碳/氧化物/杂质分布等结果。下图为利用FEMAG/DS软件模拟多晶硅锭定向凝固生长的流速与温度场分布以及为多晶硅锭定向凝固生长中氧与碳的浓度分布。
4、关于FEMAG软件
北京云道智造科技有限公司于2021年4月正式收购由比利时新鲁汶大学教授Dr. François Dupret领导开发的用于晶体生长的FEMAG软件。FEMAG软件拥有国际上先进、高效、全面的晶体生长工艺模拟技术和多物理场耦合仿真分析功能，可模拟各种晶体生长工艺，包括提拉法（Cz）、泡生法（Ky）、区熔法（FZ）、垂直布里奇曼法（VB）、垂直梯度凝固法（VGF）、定向凝固法（DS）、热交换法（HEM）以及物理气相传输法（PVT）等。FEMAG软件在集成电路、太阳能光伏、半导体芯片、蓝宝石、单晶高温合金等领域具有广泛的应用。
Ø FEMAG/CZ—FEMAG 提拉法晶体生长模拟软件
Ø FEMAG/CZ/OX—FEMAG 化合物提拉/泡生法晶体生长模拟软件
Ø FEMAG/FZ—FEMAG 区熔法晶体生长模拟软件
Ø FEMAG/DS—FEMAG 定向凝固法生长模拟软件
Ø FEMAG/VB—FEMAG VB/VGF 法晶体生长模拟软件
Ø FEMAG/HEM—FEMAG 热交换法晶体生长模拟软件
Ø FEMAG/PVT—FEMAG 物理气相传输法晶体生长模拟软件
经过三十多年的开发与完善，FEMAG软件以其深厚的晶体生长理论基础、高效稳健的数值算法，业已在晶体生长数值计算领域处于国际领先地位。FEMAG软件可以高效地模拟晶体生长工艺以及预测晶体生长的质量，有力地促进了晶体生长技术相关的生产与研发工作。FEMAG软件已在以下领域中得到了广泛的应用：
Ø 光学级单晶锗的生长
Ø 晶体生长熔炉的设计
Ø YAG功能晶体的生长
Ø GaAs、CdTe晶体的生长
Ø 半导体、集成电路级单晶硅的生长
Ø 第三代半导体材料SiC晶体的生长
Ø 太阳能光伏单晶硅、多晶硅锭的生长
Ø 航空发动机涡轮叶片单晶高温合金的生长
Ø 氧化物（蓝宝石）、卤化物等LED光电晶体的生长
