高效太陽(yáng)電池生長(zhǎng)機(jī)理的計(jì)算機(jī)模擬與可視化研究.pdf

1、能源與環(huán)境問題是21世紀(jì)人類面臨的兩大主要問題。世界能源將以石油化工能源為主的能源逐步轉(zhuǎn)變?yōu)樘?yáng)能為主的可再生能源。太陽(yáng)能是永不枯竭、無污染的清潔能源。高效率多結(jié)疊層太陽(yáng)電池(GaAs基系多結(jié)太陽(yáng)電池)是目前世界上最具競(jìng)爭(zhēng)力的新一代太陽(yáng)電池，它是航天飛行器急需的高性能長(zhǎng)壽命空間主電源。在研制GaAs疊層太陽(yáng)電池的方法中，金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(Metal Organic Chemical VaporPhase Deposition，MOC

2、VD)技術(shù)是最優(yōu)的。當(dāng)前國(guó)內(nèi)外關(guān)于GaInP薄膜電池生長(zhǎng)的研究都是從實(shí)驗(yàn)方面研究GaInP/GaAs/Ge疊層電池的工藝特性，從而優(yōu)化工藝和結(jié)構(gòu)參數(shù)，但是缺乏從計(jì)算機(jī)模擬方面研究GaInP薄膜生長(zhǎng)的動(dòng)力學(xué)機(jī)理。 然而，計(jì)算機(jī)模擬往往在模型建立和計(jì)算分析方面具有較大優(yōu)勢(shì)，但缺乏直觀和交互特性。虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality,VR)可視化技術(shù)彌補(bǔ)了計(jì)算機(jī)模擬的不足，可以幫助設(shè)計(jì)師和工藝師發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的問題，為改進(jìn)設(shè)計(jì)提供理論

3、依據(jù)。因此，將計(jì)算機(jī)模擬與虛擬現(xiàn)實(shí)可視化技術(shù)有機(jī)結(jié)合可以創(chuàng)造一個(gè)更人性化的集成仿真系統(tǒng)，為優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝參數(shù)提供指導(dǎo)依據(jù)。 本論文以MOCVD設(shè)備研制高效多結(jié)太陽(yáng)電池為背景，用計(jì)算機(jī)模擬和可視化研究的方法，從宏觀和微觀兩個(gè)角度分別研究GaInP外延材料的生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)機(jī)理。其主要研究?jī)?nèi)容和成果如下： 1.運(yùn)用計(jì)算流體力學(xué)(computational fluid dynamics，CFD)方法對(duì)生長(zhǎng)高效三結(jié)GaInP/Ga

4、As/Ge疊層太陽(yáng)電池的MOCVD反應(yīng)室內(nèi)氣體的熱流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。通過對(duì)不同工藝參數(shù)下反應(yīng)室內(nèi)氣體熱流場(chǎng)的數(shù)值模擬，得出結(jié)論：其他條件一定時(shí)，在氣體總流量5L/min和系統(tǒng)壓力0.1atm時(shí)，襯底上的熱流場(chǎng)分布比較均勻。同時(shí)，要求襯底的長(zhǎng)度不能超過兩端排氣口，為優(yōu)化MOCVD反應(yīng)室襯底的尺寸設(shè)計(jì)提出了合理化建議。 2.利用虛擬現(xiàn)實(shí)可視化技術(shù)對(duì)MOCVD反應(yīng)室內(nèi)氣體的熱流場(chǎng)進(jìn)行了可視化仿真?？梢暬抡娼Y(jié)果準(zhǔn)確直觀地顯示反應(yīng)

5、室內(nèi)溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)的分布情況，研究人員可以透過反應(yīng)室表面看清室內(nèi)的溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)的分布情況，從而及時(shí)調(diào)整加熱器的溫度和進(jìn)口氣體的總流量等工藝參數(shù)，在Ge襯底表面獲得均勻的熱流場(chǎng)分布。 3.運(yùn)用正交實(shí)驗(yàn)法對(duì)MOCVD生長(zhǎng)GaInP薄膜電池的工藝參數(shù)進(jìn)行了數(shù)值模擬試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了極差分析和方差分析，得出了影響恒溫區(qū)厚度H的工藝參數(shù)的主次順序，并得出了最佳參數(shù)組合；用回歸分析的方法建立了基于恒溫區(qū)厚度的MOCVD工藝參數(shù)數(shù)學(xué)模型

6、；經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證了MOCVD工藝參數(shù)影響作用的普遍性，為MOCVD反應(yīng)室熱流場(chǎng)的恒溫區(qū)厚度提供了經(jīng)驗(yàn)公式，為合理確定MOCVD工藝參數(shù)提供了理論基礎(chǔ)。 4.以MOCVD技術(shù)生長(zhǎng)高效GaAs疊層太陽(yáng)電池為對(duì)象，提出了一種基于動(dòng)力學(xué)蒙特卡羅方法的模擬多元化合物GaInP薄膜生長(zhǎng)模型及模擬算法。對(duì)GaInP薄膜生長(zhǎng)的過程進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)蒙特卡羅模擬。 5.將動(dòng)力學(xué)蒙特卡羅模擬的結(jié)果與虛擬現(xiàn)實(shí)可視化技術(shù)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了MOCVD反應(yīng)室內(nèi)G

7、aInP薄膜生長(zhǎng)過程的可視化仿真。模擬仿真結(jié)果準(zhǔn)確直觀地展示了MOCVD反應(yīng)室內(nèi)GaInP薄膜生長(zhǎng)的過程，揭示了模擬時(shí)間、襯底溫度及沉積速率對(duì)GaInP薄膜形貌的影響規(guī)律；模擬仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有一致性，為優(yōu)化MOCVD生長(zhǎng)GaInP薄膜的工藝參數(shù)提供理論依據(jù)。 6.在Windows環(huán)境下，基于Visual Studio.net2003和Open Inventor開發(fā)了一個(gè)高效太陽(yáng)電池生長(zhǎng)機(jī)理仿真系統(tǒng)的原型系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了總體設(shè)計(jì)