为了探究纳秒激光烧蚀单晶硅过程中熔融物质的喷溅过程，对不同加工环境中纳秒激光烧蚀单晶硅的过程进行了模拟仿真及实验验证。采用Level-Set界面追踪法，通过仿真软件建立有限元模型，对空气、静水和真空加工环境中纳秒激光烧蚀单晶硅时物质抛出过程进行模拟仿真，研究了不同加工环境中温度场、速度场对表面喷溅的影响; 采用波长266 nm、脉宽30 ns和频率50 Hz的单脉冲激光烧蚀单晶硅的工艺实验对仿真结果进行验证，通过原子力显微镜和数字显微镜对烧蚀结果进行了表征。结果表明，空气环境中，t=30 ns时熔融物质的喷溅速率达到14.1 m/s，在微孔内部蒸汽压力的作用下，烧蚀区域熔融物质向外喷出; 静水环境中，t=30 ns时熔融物质的喷溅速率为1.68 m/s，远低于空气中的喷溅速率，熔融物质快速冷却; 真空环境中，材料在短时间内汽化，t=30 ns时熔融物质的喷溅速率最大可达18.4 m/s，较高的喷溅速率有利于物质的抛出。加工环境对纳秒激光烧蚀单晶硅的物质抛出影响较大，这为提高纳秒激光加工单晶硅的加工质量提供了参考。

本文针对单晶硅在不同温度、浓度、表面活性剂等多种刻蚀条件下的形貌模拟问题, 构建了硅原子结构模型并分析了其主要晶面刻蚀速率和对应原子结构之间的关系, 提出了适应于单晶硅刻蚀模拟的表层原子刻蚀函数(Si-RPF), 明确了晶面宏观刻蚀速率与原子微观移除概率之间的数值联系, 构建了基于遗传算法的动力学蒙特卡罗各向异性湿法刻蚀工艺模型(Si-KMC)。该工艺模型可以基于台阶流动理论,从原子角度解释单晶硅刻蚀各向异性的成因, 能够明确不同类型的原子在刻蚀过程中的作用和实现对不同刻蚀条件下单晶硅衬底三维刻蚀形貌的精确模拟。对比有无表面活性剂添加条件下的单晶硅刻蚀实验数据和模拟结果表明, Si-KMC刻蚀工艺仿真模型模拟结果可以达到90%以上仿真精度。

针对硅基材料在1319 nm激光辐照下产生带外响应的问题，研究了硅材料中的本征点缺陷对响应特性的影响。根据第一性原理建立了晶胞模型，比较了几种典型点缺陷状态下硅材料的能级分布特性，在此基础上分析了本征点缺陷对硅材料光电响应特性的影响。结果表明：空位和自间隙原子两类缺陷都能够改变硅材料的能带结构和响应特性。532 nm激光辐照时，硅基光敏单元的输出饱和阈值明显降低。当辐照波长为1319 nm时，硅材料产生明显的带外响应，其中贡献最大的是四面体间隙缺陷。此时材料带隙消失，吸收系数高达50391 cm^-1，折射率减小约25.99%，因此硅材料在1319 nm处的量子效率值最大，导致光电响应最为强烈，输出饱和阈值最小，为0.0015 W·cm^-2。

本文针对光伏太阳能用准单晶硅铸锭系统的硅料熔化过程进行了数值模拟研究, 尤其是孔隙率阶跃分布的堆积硅料熔化过程对籽晶熔化的影响。研究结果表明: 堆积硅料孔隙率呈轴向阶跃分布有利于降低籽晶的熔化比例; 籽晶的熔化界面形状主要受下层孔隙率影响, 在特定的平均孔隙率范围内, 上下两层孔隙率差异较小时, 孔隙率的轴向阶跃分布对籽晶的熔化界面形状影响较小; 当籽晶的熔化比例相近时, 平均孔隙率越小, 籽晶的熔化界面形状越平缓, 越有利于籽晶边缘区域的保留; 当平均孔隙率一定时, 下层孔隙率越小越有利于籽晶边缘区域的保留。堆积硅料区域孔隙率呈径向阶跃分布会使籽晶的熔化界面形状发生畸变, 内层孔隙率的逐渐增大会使籽晶的熔化界面形状由“凸”逐渐转变为“凹”, 外层孔隙率不大于内层孔隙率时籽晶可以得到有效保留; 内外两层孔隙率差值越小, 籽晶的熔化比例越小。籽晶的熔化比例分布在不同轴向阶跃分布孔隙率下呈现一定的中心对称性, 而在不同径向阶跃分布孔隙率下呈现一定的周期性, 孔隙率均匀分布时的籽晶熔化界面形状优于其他情况。在实际工况条件下, 可以根据由不同孔隙率分布条件下获取的籽晶熔化状态数据绘制的等值线图对堆积硅料区域的孔隙率分布进行合理配置。

高效、绿色、稳定、经济的新类别制绒分子及相应助剂配方是获得超低反射率陷光结构，提升单晶硅太阳能电池光电转换效率的关键内容之一。本工作提出多苯环骨架强化单晶硅表界面结合，磺酸基、羟基、烷氧基等官能团调控出绒点形成的思路，合理筛选并对比研究了2,6-萘二磺酸钠、2-羟基-7-萘磺酸钠，十二烷基二苯醚磺酸钠以及木质素磺酸钠的绒面催化效应，发现大分子尺寸、更为分散的苯环骨架排布、柔性分子结构、丰富的羟基、烷氧基等结构特征有利于芳香环磺酸盐在单晶硅表面形成连续、均匀、密集金字塔结构。基于制绒剂结构、浓度、时间、温度等反应参数的系统对比实验，筛选出木质素磺酸钠作为优良出绒试剂，可在0.000 6%～0.06%的低浓度条件下，获得15.84～26.94%的平均反射率。引入表面活性剂和绒面调节剂，通过系统正交实验，获得了“0.015%木质素磺酸钠+1.1%十二烷基苯磺酸钠+2.0%的2-羟基-β-环糊精”新型绿色、低浓度、高稳定制绒助剂配方，在NaOH浓度0.65%、反应温度75～85 ℃、制绒时间420 s的类产线条件下，获得基底尺寸1.7～1.9 μm、均匀、规则、密集的金字塔结构以及低至9.89%的绒面平均反射率。本项研究为基于芳香环磺酸盐开发绿色高效新型实用化单晶硅表面织构化添加剂提供了良好例证。

为研究单晶硅超精密切削特性, 采用纳米压痕仪配合Berkovich金刚石压头对单晶硅<100>晶面进行纳米压痕与纳米划痕实验。纳米压痕实验分别以10、30 和50 mN载荷将压头压入单晶硅表面, 发现30 mN载荷下载荷-位移曲线产生微小波动, 而在50 mN载荷下发生“pop-out”现象, 说明材料此时有突然的应力变化并有脆性破坏发生, 预测了单晶硅脆塑转变的临界载荷略小于30 mN。开展变载荷纳米划痕实验, 用0~100 mN的载荷刻划单晶硅表面, 根据载荷-位移曲线观察到单晶硅在变载荷刻划中分为弹塑性去除和脆性去除阶段。弹塑性去除阶段, 载荷-位移曲线波动平稳, 而脆性去除阶段曲线波动较大, 得到单晶硅脆塑转变的临界载荷为27 mN, 临界深度为392 nm。通过恒载荷纳米划痕实验, 在塑性加工域内分别以5、10和20 mN的恒载荷刻划单晶硅表面, 并通过扫描电子显微镜(SEM)观察恒载荷划痕后的单晶硅表面形貌, 分析刻划数据发现切削力和弹性回复率随着载荷的增加而增大, 摩擦系数则先增大后减小。因此单晶硅超精密切削加工应选择合理的载荷, 并充分考虑弹性回复的影响。

利用ANSYS有限元软件分析了横向磁场下不同坩埚转速对200 mm半导体级直拉单晶硅的流场及氧浓度的影响。研究结果表明: 在横向磁场下, 硅熔体的流场和氧浓度分布呈三维非对称性, 熔体对流形式主要包括泰勒-普劳德曼漩涡、浮力-热毛细漩涡及次漩涡, 其中前两者有助于氧挥发, 而次漩涡则起到抑制作用。当坩埚转速较低(0.5~1.0 r/min)时, 较弱的熔体对流强度导致坩埚壁与固液界面间的热传导效率低, 氧主要以扩散机制迁移至固液界面, 熔硅中氧浓度高; 当坩埚转速较高(2~2.5 r/min)时, 氧通过强对流形式迁移至固液界面。随着坩埚转速增加, 次漩涡和浮力-热毛细漩涡的作用强度提高, 浮力-热毛细漩涡影响区域远离自由表面, 使硅熔体中的氧浓度呈先下降后上升的趋势。数值模拟结果与实验结果均表明, 在横向磁场条件下优选1.5 r/min的坩埚转速可获得平均氧浓度较低的单晶硅。上述分析结果可以为横向磁场下半导体级单晶硅拉晶参数优化提供参考依据。

半导体级单晶硅是芯片的基础核心材料, 其晶体的氧含量分布对晶圆品质有重要影响。通过优化提拉单晶炉的热屏结构可有效控制晶体生长过程中的氧含量分布, 但难以通过实验探究其内在影响机制。本文采用ANSYS有限元分析, 研究了热屏结构对200 mm半导体级直拉单晶硅氧含量分布的影响。针对一段式、二段式两种典型的商用单晶炉热屏结构, 模拟了拉晶初期(300 mm)、中期(800 mm)、末期(1 000 mm)三个等径阶段的温度场、流场分布, 固液界面温度梯度及径向氧含量分布。计算结果表明, 与二段式热屏相比, 一段式热屏的熔体温度场均一性较好, 固液界面的温度梯度较小。此外, 一段式热屏的氩气流场有利于熔体自由表面上方SiO气体挥发和减弱熔体的剪切对流, 使固液界面前端向晶体扩散的氧减少。因此, 一段式热屏的固液界面径向氧含量分布均匀性较好且晶体中的氧含量较低。