Título

ANÁLISE DA FRATURA E DAS TENSÕES TÉRMICAS NO LINGOTAMENTO DE SILÍCIO

ANALYSIS OF FRACTURE AND THERMAL STRESS IN SILICON CASTING

Autoria

Virgínia Cruz Rangel Albuquerque e Lima; André Alexandrino Lotto

DOI

10.5151/1516-392X-25136

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Resumo

Nas últimas décadas, o silício grau solar (~99,9999% de pureza) tornou-se um importante material devido à sua aplicação na construção de células fotovoltaicas. O comportamento frágil do silício a temperatura ambiente dificulta a obtenção de formatos convenientes para as etapas posteriores de processamento. O presente trabalho tem o objetivo de analisar a fratura de lingotes de silício ocorrida durante o processo de lingotamento contínuo após fusão em forno de feixe de elétrons. A análise do silício obtido no lingotamento contínuo mostrou a ocorrência de fratura por clivagem. A fratura observada após o lingotamento de iniciadores de silício ocorreu na mesma região do lingote obtido no lingotamento contínuo, indicando que a força aplicada para extração do silício durante o lingotamento contínuo não causa a fratura, que, portanto resulta das tensões térmicas durante a solidificação e resfriamento posterior. A modelagem matemática através do método dos elementos finitos da transferência de calor combinada com a formação de tensões térmicas mostrou que as tensões térmicas resultantes do processo de resfriamento, após a solidificação, poderiam ser suficientes para causar as fraturas observadas.

 

In recent decades, the solar-grade silicon (~99.9999% purity) has become an important material due to its application in the construction of photovoltaic cells. The brittle behavior of silicon at room temperature difficult to obtain convenient shapes for subsequent processing steps. This study aims to analyze the fracture of silicon ingots occurred during the continuous casting process after melting in electron beam furnace. The analysis of silicon obtained in the continuous casting showed the occurrence of fracture cleavage. The fracture observed after casting starter silicon occurred in the same region of the ingot obtained in continuous casting, indicating that the force applied to extract the silicon during the continuous casting does not cause the fracture, which therefore results from thermal stresses during solidification and subsequent cooling. Mathematical modeling by the finite element method of heat transfer combined with the formation of thermal stresses showed that thermal stresses resulting from the cooling process after solidification could be sufficient to cause fractures observed.

Palavras-chave

Lingotamento contínuo de silício; Fratura frágil; Método dos elementos finito; Tensões térmicas

Continuous casting of silicon; Brittle fracture; Finite element method; Thermal stresses