高效太陽電池生長機理的計算機模擬與可視化研究.pdf

1、能源與環(huán)境問題是21世紀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柲転橹鞯目稍偕茉?。太陽能是永不枯竭、無污染的清潔能源。高效率多結(jié)疊層太陽電池(GaAs基系多結(jié)太陽電池)是目前世界上最具競爭力的新一代太陽電池，它是航天飛行器急需的高性能長壽命空間主電源。在研制GaAs疊層太陽電池的方法中，金屬有機化學氣相沉積(Metal Organic Chemical VaporPhase Deposition，MOC

2、VD)技術是最優(yōu)的。當前國內(nèi)外關于GaInP薄膜電池生長的研究都是從實驗方面研究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)，但是缺乏從計算機模擬方面研究GaInP薄膜生長的動力學機理。 然而，計算機模擬往往在模型建立和計算分析方面具有較大優(yōu)勢，但缺乏直觀和交互特性。虛擬現(xiàn)實(Virtual Reality,VR)可視化技術彌補了計算機模擬的不足，可以幫助設計師和工藝師發(fā)現(xiàn)設計中的問題，為改進設計提供理論

3、依據(jù)。因此，將計算機模擬與虛擬現(xiàn)實可視化技術有機結(jié)合可以創(chuàng)造一個更人性化的集成仿真系統(tǒng)，為優(yōu)化結(jié)構(gòu)設計和工藝參數(shù)提供指導依據(jù)。 本論文以MOCVD設備研制高效多結(jié)太陽電池為背景，用計算機模擬和可視化研究的方法，從宏觀和微觀兩個角度分別研究GaInP外延材料的生長動力學機理。其主要研究內(nèi)容和成果如下： 1.運用計算流體力學(computational fluid dynamics，CFD)方法對生長高效三結(jié)GaInP/Ga

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

5、室內(nèi)溫度場和速度場的分布情況，研究人員可以透過反應室表面看清室內(nèi)的溫度場和速度場的分布情況，從而及時調(diào)整加熱器的溫度和進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分布。 3.運用正交實驗法對MOCVD生長GaInP薄膜電池的工藝參數(shù)進行了數(shù)值模擬試驗，對試驗結(jié)果進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)學模型

6、；經(jīng)過試驗驗證了MOCVD工藝參數(shù)影響作用的普遍性，為MOCVD反應室熱流場的恒溫區(qū)厚度提供了經(jīng)驗公式，為合理確定MOCVD工藝參數(shù)提供了理論基礎。 4.以MOCVD技術生長高效GaAs疊層太陽電池為對象，提出了一種基于動力學蒙特卡羅方法的模擬多元化合物GaInP薄膜生長模型及模擬算法。對GaInP薄膜生長的過程進行了動力學蒙特卡羅模擬。 5.將動力學蒙特卡羅模擬的結(jié)果與虛擬現(xiàn)實可視化技術結(jié)合，實現(xiàn)了MOCVD反應室內(nèi)G

7、aInP薄膜生長過程的可視化仿真。模擬仿真結(jié)果準確直觀地展示了MOCVD反應室內(nèi)GaInP薄膜生長的過程，揭示了模擬時間、襯底溫度及沉積速率對GaInP薄膜形貌的影響規(guī)律；模擬仿真結(jié)果與實驗結(jié)果具有一致性，為優(yōu)化MOCVD生長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)了一個高效太陽電池生長機理仿真系統(tǒng)的原型系統(tǒng)，實現(xiàn)了總體設計