Solar cells convert sunlight into electrical energy using the photo effect. With a mar-ket share of 60%, multicrystalline silicon (mc-Si) is the most frequently used absorber material. Standard mc-Si ingots are directionally solidified in a fused silica (SiO2) crucible, which exhibits a silicon nitride (Si3N4) inner coating. After the entire raw material has been melted, the nucleation takes place on the Si3N4 inner coating at the bottom of the crucible. This results in an inhomogeneous initial grain structure and an increased fraction of dislocation clusters in the upper part of the ingot, which decrease the quality of standard mc-Si. Therefore, the global goal is the development of a cost-effective technology that reduces the formation of clusters and enhances the quality of mc-Si ingots. One way of achieving that goal is to produce the so-called \"high performance multi crystalline silicon\" (HPM-Si). During the directional solidification silicon raw material remains unmelted at the bottom of the SiO2 crucible, whereby crystallization does start on the silicon feedstock a few millimeters above the crucible bottom. Compared to standard mc-Si, a finer grained structure with many small grains is formed, which are separated by so-called random grain boundaries. Since the movement of dislocations across this grain boundary type has rarely been observed, the risk of formation of dislocation clusters, which have a negative impact on the efficiency of solar cells, is greatly reduced for HPM-Si. However, the disadvantage of the HPM-Si compared to the mc-Si is the yield loss resulting from the unmelted raw material at the crucible bottom. Hence, the aim of the present work is to produce mc-Si with a fine-grained structure in combination with a high fraction of random grain boundaries without the disad-vantage of yield loss. In order to investigate the grain structure in dependence of the nucleation conditions G1 ingots having a mass of 14.5 kg and dimensions of 220x220x130 mm³ were directional solidified in a furnace. The analysis of the grain structure with respect to the grain size, grain orientation and the random grain boundary length fraction and the comparison with the HPM-Si reference crystal took place on horizontal wafers with a thickness of 3mm. One possibility to influence the grain structure of mc-Si could be the variation of the cooling conditions before the start of crystallization at the crucible bottom. In a first series of experiments, a gas-flowed cooling plate, positioned below the crucible, was used. An increased gas flow increases the axial heat flow downwards and the cooling rate below the crucible bottom in the same direction. The detected cooling rate, measured by a thermocouple in the silicon melt 5 mm above the crucible bottom, varied in a range between 0.06-1.5 K/min. An increased cooling rate increases the supercooling, with a maximum of 2K. The analysis of the grain structure shows that a reduction in the cooling rate in combination with the lowest supercooling minimizes the average grain size and increases the fraction of random grain boundaries. However, an HPM-Si like grain structure (grain size and fraction of random grain boundaries comparable to HPM-Si) could not completely produced. Furthermore, due to the extended process time, the wafer yield is reduced, whereby the reduction of the cooling rate is not a preferable method for the industrial process. In a second experimental series, which took place under constant cooling rates, the influence of an additional nucleation layer on the initial grain structure was investigated. For this purpose, the additional nucleation layer was applied on the already existing Si3N4 inner coating on the crucible bottom. In order to adjust a HPM-Si like grain structure, the contact angle of the silicon melt on the additional nucleation layer should be lower than on the Si3N4 inner coating. The theoretical basis for this hypothesis is the relationship between the contact angle and the nucleation energy, which states that a reduced contact angle lowers the nucleation energy and can ultimately lead to more nuclei. Furthermore, in order to avoid melting, the additional nucleation layer must have a higher melting point than silicon. Suitable materials for the application as a foreign seed sample are SiC, SiO2 and Al2O3, which are used in the form of particles with different sizes. The production of the additional nucleation layer was carried out by a spraying as well as by an embedding procedure. These layers exhibit different thermal conductivity as well as surface roughness. Embedded nucleation layers generate higher roughness values than sprayed nucleation layers. The analysis of the grain structure identified the surface roughness as the main influencing factor on the initial grain size. While an increased surface roughness (Rq>100μm) results in a fine-grained structure (average grain size: <2mm²) comparable to HPM-Si, the average grain size increases (>2 mm²) with a reduced surface roughness (Rq<100μm). However, the analysis of the grain boundary relationship shows that the fraction of random grain boundaries does not correlate with the average grain size. Only a ma-terial dependency was detected. All SiO2 nucleation layers generate an increased fraction of random grain boundaries, comparable to the HPM-Si material. In contrast, the fraction of random grain boundaries was reduced for all SiC nucleation layers. This result is probably established with the different thermal conductivities of the used materials. The increased thermal conductivity of the sample with the SiC nucleation layers increases the cooling rate, promoting dendritic growth. In contrast the lower thermal conductivity of the SiO2 nucleation layers reduces the cooling rate and dendritic growth is suppressed. Since dendrites exhibit a Σ3 grain boundary relationship in the center, the fraction of this grain boundary type increases for SiC nucleation layers and the fraction of random grain boundaries decreases. In this thesis, various possibilities for influencing the grain structure have been pre-sented. A SiO2 nucleation layer with a roughness value Rq> 200μm represents an industrially relevant solution for the production of mc-Si with comparable properties to the HPM-Si without the disadvantages of yield loss. Hence, it was possible to in-crease the yield with comparable material quality, whereby the production costs could be reduced. Some first crucible manufacturers have already transferred the use of the SiO2 nucleation layers on top of the already existing Si3N4 inner coating at the crucible bottom to production.

Diese Arbeit stellt einen Beitrag zur Modellierung der gerichteten Erstarrung von Silizium für die Photovoltaik dar. Es wurde basierend auf einem industriellen Prozesses ein Modellaufbau der Schmelze mit zwei Induktoren nach der Ähnlichkeitstheorie abgeleitet. Dieser ermöglicht, durch die Verwendung von niedrig schmelzenden Metallen, eine umfassende Messung der Strömungsgeschwindigkeiten mit Ultraschall-Velocimetrie. Basierend auf den experimen- tellen Daten wurde ein numerisches Modell zur Berechnung der Schmelzströmung unter Magnetfeldeinfluss validiert. Es wurden detaillierte Untersuchungen zu Strömungsstrukturen und beeinflussende Parameter durchgeführt, eine Methode zur Klassifizierung entwickelt und die Rotationskennzahl Ro eingeführt, mit welcher man in Abhängigkeit vom Magnetfeld und der Schmelzgeometrie die horizontale Rotation der Schmelzströmung in einem breiten Gültigkeitsbereich vorhersagen kann. Das validierte numerische Modell wurde zur Prozessoptimierung auf die Schmelzströmung des industriellen Prozesses angewendet.

In dieser Arbeit wurde der Einfluss der Schmelzkonvektion auf das erstarrende Gefüge von peritektischen Nd-Fe-B – und TiAl-Legierungen mit Hilfe neuartiger Methoden untersucht. Da die magnetischen und mechanischen Eigenschaften dieser technisch relevanten Legierungen stark vom Gefüge und insbesondere vom Volumenanteil der properitektischen Phase abhängen, sind diese Untersuchungen von großem Interesse. Auf der Basis der numerischen Simulationen der Schmelzkonvektionsmoden und des elektromagnetischen Problems in einer induktiv beheizten Schmelze, die am Forschungszentrum Dresden-Rossendorf durchgeführt wurden, wurden am IFW Dresden neuartige Versuchsaufbauten entwickelt, die die Modifizierung der Konvektion in einer Metallschmelze ermöglichen. Dies sind ein Aufbau zur erzwungenen Schmelzrotation in einem Tiegel und eine modifizierte Floating-Zone-Anlage. Die erzwungene Schmelzrotation, bei der der Schmelztiegel mit einer definierten Frequenz rotiert, führt in Übereinstimmung mit der Simulation zu einer starken Reduzierung der Konvektion in Abhängigkeit von der Frequenz. Diese Methode wurde auf Nd-Fe-B-Legierungen angewendet mit dem Ziel, die Bildung der unerwünschten weichmagnetischen Eisenphase zu unterdrücken bzw. deren Volumenanteil zu reduzieren. Im Ergebnis konnte der Volumenanteil der properitektischen Phase mit diesem Verfahren um 38.5 % reduziert werden. Das dendritische Gefüge wurde einer ausführlichen statistischen Analyse unterzogen, bei der die Abstände der sekundären Dendritenarme (SDAS) gemessen wurden. Es konnte gezeigt werden, dass die SDAS sich mit steigender Frequenz der Tiegelrotation, was einer reduzierten Schmelzkonvektion entspricht, verringern. Die Verringerung des Volumenanteils der properitektischen Eisenphase und der SDAS wird mit dem reduzierten konvektiven Massentransport unter reduzierter Schmelzkonvektion erklärt. Starke interdendritische Strömung reduziert die Dicke der Diffusionsgrenzschicht um die properitektische Phase. Dadurch wird der Stofftransport durch die Grenzschicht erleichtert. Kleinere Dendritenarme werden in die Schmelze zurückgeschmolzen, wodurch sich der Abstand zwischen den verbleibenden Dendritenarmen vergrößert. Eine Floating-Zone-Anlage, die das tiegelfreie Prozessieren von Metallschmelzen erlaubt wurde so modifiziert, dass mit Hilfe eines Doppelspulensystems eine zusätzliche wohl definierte elektromagnetische Kraft eingebracht wird, über die eine sehr intensive (Zweiphasenrührer in Parallelschaltung) bzw. stark verringerte Strömung (Doppelspule in Reihenschaltung) in der Schmelze eingestellt werden kann. Die experimentellen Ergebnisse der Untersuchungen am Nd-Fe-B-System mit der Doppelspule in Reihenschaltung zeigten, dass sich bei einem optimalen Spulenabstand von 5,1 mm die geringste Schmelzkonvektion ergab, wobei der Anteil des a-Eisen-Volumenanteils weiter verringert werden konnte. Im Gegensatz dazu wurde mit dem Zweiphasenrührer in Parallelschaltung eine sehr starke Schmelzkonvektion mit einem maximalen Volumenanteil der a-Eisen-Phase eingestellt, wobei durch die starke Rührung ein Wechsel der Morphologie von dendritisch zu globular zu beobachten war. Die Untersuchungen zum Einfluss der starken Schmelzkonvektion wurden auf ein weiteres peritektisch erstarrendes System ausgedehnt, um eine generalisierte Aussage zum Einfluss der Konvektion auf Gefüge und Eigenschaften peritektisch erstarrender Legierungen zu erhalten. Die ausgewählte Ti45Al55 - Legierung erstarrte unter starker Schmelzkonvektion ebenfalls globulitisch, wobei Reste dendritisch erstarrter properitektischer Phase gefunden wurden. Der Volumenanteil der properitektischen Phase steigt dabei mit zunehmender Rührwirkung an. Der Wechsel der Morphologie von dendritisch zu globular/dendritisch kann mit sphärischem Wachstum oder Fragmentierung der Dendritenarme erklärt werden. Die mechanischen Eigenschaften unter unterschiedlicher Schmelzkonvektion erstarrter Ti45Al55 – Legierung wurden bei Druckversuchen untersucht. Es wurde eine signifikant höhere plastische Verformbarkeit an der unter starker Schmelzkonvektion erstarrten Ti45Al55 – Legierung gefunden. Dies wird der isotropen spherischen Morphologie der lamellaren a2/g-Phase zugeordnet, während die anisotrope Orientierung der dendritisch- lamellaren Phase unerwünschte plastische Eigenschaften zeigt. Die Untersuchungen des Einflusses der Schmelzkonvektion auf das Gefüge peritektisch erstarrender Legierungen zeigten, dass ein maßgeschneidertes Gefüge durch optimale Wahl der Schmelzkonvektion möglich ist und damit magnetische bzw. mechanische Eigenschaften verbessert werden können. Die Kontrolle der Schmelzkonvektion ist daher ein geeignetes Mittel gewünschte Gefüge und Eigenschaften in Abhängigkeit von den Prozessabläufen einzustellen. / In this work, the effect of melt convection on the microstructure evolution of peritectic Nd-Fe-B and Ti-Al alloy systems was studied using novel techniques. The microstructural formation including the change in volume fraction and morphology of the properitectic phase influences the magnetic and mechanical properties for the Nd-Fe-B and Ti-Al alloy systems, respectively. On the basis of numerical simulations by the research group of Dr. Gunter Gerbeth from Department of Magnetohydrodynamics, Forschungszentrum Dresden-Rossendorf, two types of specially designed facilities were developed where melt convection can be altered by changing a number of parameters. These are: forced rotation facility and modified floating zone facility. According to the numerical simulation, an additional crucible rotation suppresses the internal melt motion significantly during forced rotation experiments, where the molten alloy is rotated at a well-defined frequency. This method was applied during the solidification of Nd-Fe-B alloys with the aim to suppress the volume fraction of undesired soft magnetic a-Fe phase. As a result, the volume fraction of properitectic phase with this method can be reduced up to 38 %. A detailed statistical analysis of secondary dendritic arm spacing (SDAS) measurements of a-Fe showed that the SDAS decreases as the rotational frequency increases and melt convection decreases. The reduction in the phase fraction and SDAS of properitectic phase is attributed to the reduced convective mass transfer under reduced melt motion. At high fluid velocity and low rotational frequency, the stronger interdendritic flow reduces the solute boundary layer and increases the transfer of solute through the interface. The smaller dendrite arms dissolve into the melt and thus the SDAS becomes higher than that of the samples solidified at higher rotational frequencies with reduced melt convection. Floating zone facility, which allows contactless heating without any contamination for highly reactive melts, was modified with a double coil system so that an additional electromagnetic force is introduced inside the melt. This induces either very intensive (two-phase stirrer in parallel connection coil system) or very reduced flow (series connection coil system) inside the melt The experimental results of series connection coil system showed that a reduced melt convection state is achieved near 5.1 mm coil distance where a-Fe volume fraction becomes minimum. On the contrary, the parallel coil system experiments showed that a-Fe volume fraction becomes maximum when the phase shift between the coils is close to 90°. The morphology of the a-Fe becomes globular due to spherical growth under strong convection. The study on the effect of strong stirring was extended to another alloy to get a generalized idea about the influence of melt convection on the microstructure development and resulting properties of peritectic alloys. Peritectic Ti45Al55 alloys were investigated by the two-phase stirrer using the coils connected in parallel to study the effect of enhanced melt convection. The increase in the properitectic phase fraction together with a strong change in the morphology from dendritic to spherical were observed in the stirred samples. The increase in the properitectic phase fraction occurs due to the enhanced effective mass transfer under strong melt convection. The change in morphology of the properitectic phase is attributed to spherical growth or fragmentation of dendrite arms under strong convection. The mechanical properties of Ti45Al55 alloys, which are solidified at different convection states, were studied. There was a significantly higher plastic deformability of stirred samples compared to unstirred samples. The coarse anisotropic orientation of the dendritic lamellar phase is detrimental for the plastic deformability, which is absent in the stirred samples due to the spherical and discrete morphology of the properitectic phase. This study indicates that tailored microstructure can be obtained either by decreasing (e.g. for Nd-Fe-B alloy) or increasing (e.g. for Ti-Al alloy) the convection state using effective techniques inside the melt to improve the magnetic and mechanical properties, respectively. Thus, controlling convection is a useful way to get favorable microstructure according to the process need.

Magnetische Formgedächtnsilegierungen haben die besondere Fähigkeit, sich im äußeren Magnetfeld zu verformen. Dies geschieht aufgrund von Zwillingsgrenzenbewegung in der martensitischen Tieftemperaturphase. Da der Effekt bislang an Einkristallen untersucht wurde, ist es das Ziel dieser Arbeit, den Effekt an polykristallinen Proben nachzuweisen. Dafür wurden Proben nach dem Prinzip der gerichteten Erstarrung präpariert. Deren Kristallstruktur wurde durch geeignete Zusammensetzung und Wärmebehandlung einphasig eingestellt. Mechanisches Training und weitere Wärmebehandlungen ermöglichten schließlich die Demonstration der magnetischen Dehnung von ca. 1 % an polykristallinen Proben. Durch zusätzliche Einkopplung akustischer Wellen konnte die Dehnung auf 2,2 % gesteigert werden.

In Rahmen dieser Arbeit wurde ein Simulationsprogramm für Gießprozesse weiterentwickelt. Zunächst wurden die Richtigkeit der mathematischen Lösung und die Sensibilität der Software bestätigt. Dazu wurde ein Vergleich der berechneten mit den experimentellen Werten durchgeführt. Zur Messung der Wanddicke des erstarrenden Gussteils wurde eine neue Methode zur Visualisierung der Berechnungsergebnisse erarbeitet. Anhand zweier Beispiele zur Berechnung eines dünnwandigen, komplizierten Al-Gussteils und eines exothermischen Speisers wurde eine korrekte Nutzung neuer Gießtechnologien aufgezeigt. Das Simulationssystem wurde speziell für das Stranggießen modifiziert. Die neu entwickelten Berechnungsalgorithmen sowie die Visualisierungsmöglichkeiten erlauben eine exakte Modellierung des Strangabzuges in der Gießmaschine. Auch in diesem Falle liefert der Vergleich zwischen den durchgeführten Berechnungen und den erzielten Versuchswerten die Richtigkeit und Exaktheit der neu eingesetzten Methode.

Zugl.: Magdeburg, Universiẗat, Diss., 2007.

Chemnitz, Techn. Univ., Diss., 2007. / Dt.-Titel: Physikalische Eigenschaften von bleifreiem Lot in flüssigem und festem Zustand.

Nürnberg, University, Diss., 2004--Erlangen.

An verschiedenen Werkstoffen wurden Untersuchungen zum Einfluss einer Vibrationsbehandlung auf das Erstarrungsverhalten durchgeführt. Es konnte festgestellt werden, dass der Kornfeinungseffekt vom Erstarrungstyp abhängig ist. Versuche mit der Rotgusslegierung CuSn5Zn5Pb5 ergaben eine Feinung des Gefüges und daraus folgend eine Verbesserung der Eigenschaften. Die Wanddickenabhängigkeit der Gefügeausbildung konnte eliminiert werden. Als Haupteinflussgröße auf den Kornfeinungseffekt wurde die Vibrationsbeschleunigung ermittelt. Unter Praxisbedingungen konnten die Ergebnisse bestätigt werden. Bei einer Gusseisenlegierung führte die Vibrationsbehandlung zur Feinung der Grafitlamellen und Erhöhung der Zahl der eutektischen Zellen. Das Verfahren wurde erfolgreich in einer Schwermetallgießerei getestet und eingeführt.

In Rahmen dieser Arbeit wurde ein Simulationsprogramm für Gießprozesse weiterentwickelt. Zunächst wurden die Richtigkeit der mathematischen Lösung und die Sensibilität der Software bestätigt. Dazu wurde ein Vergleich der berechneten mit den experimentellen Werten durchgeführt. Zur Messung der Wanddicke des erstarrenden Gussteils wurde eine neue Methode zur Visualisierung der Berechnungsergebnisse erarbeitet. Anhand zweier Beispiele zur Berechnung eines dünnwandigen, komplizierten Al-Gussteils und eines exothermischen Speisers wurde eine korrekte Nutzung neuer Gießtechnologien aufgezeigt. Das Simulationssystem wurde speziell für das Stranggießen modifiziert. Die neu entwickelten Berechnungsalgorithmen sowie die Visualisierungsmöglichkeiten erlauben eine exakte Modellierung des Strangabzuges in der Gießmaschine. Auch in diesem Falle liefert der Vergleich zwischen den durchgeführten Berechnungen und den erzielten Versuchswerten die Richtigkeit und Exaktheit der neu eingesetzten Methode.