能源短缺和环境污染是世界各国面临的重大难题,开发和利用可再生新能源是解决此问题的唯一出路。太阳能光伏发电是最具发展潜力的可再生能源技术之一,晶硅铸锭凭借其高效率、低成本优势,成为最主要的太阳电池材料。然而,在晶硅铸锭过程中不可避免地会引入氧碳杂质而导致多种晶体缺陷,进而严重影响晶硅太阳电池效率。因此,降低氧碳杂质浓度对提高晶硅铸锭品质和太阳电池效率具有重要意义。氩气流动强度和形式直接影响氧碳杂质的浓度和分布,而通过实验研究高温铸锭炉内复杂的传热传质现象具有很大的局限性。因此本文采用数值模拟为主、实验研究佐证的方法,研究晶硅铸锭过程中氩气驱动杂质输运的机理,数值优化了氩气工艺参数及导流结构,从而为生长低成本、高质量晶硅铸锭提供理论依据和指导方案。主要研究内容及结论如下:(1)构建了耦合导热、对流、辐射和相变等多种传热方式在内的全局二维瞬态传热流动数值模型,对所建立的数值模型进行了网格无关化、时间步长无关化验证。对模拟结果进行了准确性检验,实验研究得到的热电偶监测温度和模拟结果基本一致。在此基础上,开发了考虑化学反应和组分输运在内的全局三维稳态氧碳杂质耦合输运模型。(2)数值研究二维、三维模型下氩气流动和杂质输运现象,通过氩气流动驱动力分析,发现了坩埚出口处氩气回流三维特性及诱发机理。结果表明:与二维模型相比,氩气流动和杂质输运在三维模型中具有典型的回流现象,原因是坩埚外部的自然对流导致坩埚出口处对称面附近的氩气回流。回流氩气将坩埚外部的杂质引入坩埚内部,同时有效抑制坩埚盖板处的化学反应。强制对流主要影响熔体自由表面上方的氩气流动形式及强度,以及坩埚盖板处的化学反应速率。(3)数值研究了三维模型下氩气流量对氩气驱动杂质输运的影响规律。结果表明:氩气流量的增大会强化熔体自由表面上方氩气流动强度,促进坩埚盖板处化学反应的同时,有效抑制坩埚出口处的氩气回流,使得坩埚外部流入坩埚内部的CO减少,最终降低熔体自由表面CO浓度。氩气流量的进一步增加所带来的杂质降低收益逐渐减小,氩气流量超过50 L/min时,CO浓度略微降低,考虑性价比选择50 L/min作为优化后的氩气流量。(4)数值研究了三维模型下炉膛压力对氩气驱动杂质输运的影响规律。结果表明:炉膛压力的增大对坩埚出口处的氩气回流影响较小,但会增加熔体自由表面上方氩气流动强度,从而加强坩埚盖板处的化学反应速率,因此CO浓度随着炉膛压力的增加而增加。但当炉膛压力较小时,随着炉膛压力的减小,杂质在氩气中的扩散系数迅速增加,炉膛压力从200 mbar减小至50 mbar时,CO浓度反而从36.2 ppm增加至37.0 ppm。因此,选择200mbar作为优化后的炉膛压力。(5)设计了石墨坩埚护板结构,并研究了其结构参数对氩气驱动杂质输运的影响规律。结果表明:优化后的护板结构,有效地阻挡了坩埚出口处的氩气回流。同时坩埚盖板和石墨支柱交界处的涡胞消失,氩气能顺畅地从此处流出,避免了化学反应的进行和杂质的聚积。虽然增大了坩埚盖板局部化学反应速率,但最终熔体自由表面处的CO浓度明显降低。当a/b为0.5时氩气回流基本消失,熔体自由表面处CO浓度达到了最低值,相比改进前降低了15.2%。(6)设计了新型氩气导流结构,使得氩气实现底部出流和侧部出流,并数值研究了改进前后的氩气流动、化学反应及杂质输运,通过正交试验优化了新型氩气导流结构。结果表明:新型氩气导流结构作用下,坩埚出口处氩气回流的面积和强度没有发生变化,但侧部出流有效限制了氩气回流在熔体自由表面上方的流动区域,同时削弱了坩埚盖板处化学反应速率,最终使得熔体自由表面处CO平均浓度相比改进前降低了31%。正交试验结果显示,当H=50 mm,L=50 mm,Q=50 L/min时,最有利于氧碳杂质浓度的降低。