光伏发电是一种清洁可持续的新能源利用技术,我国碳中和、碳达峰发展目标及十四五规划表明,光伏产业已成为我国能源需求的战略要素。在光伏产业中,硅基太阳能电池所占比例最大。定向凝固法生产的多晶硅因其成本低、效益高、操作简单等优点产量逐年递增,但存在晶界、杂质和位错等缺陷,这些缺陷严重影响其转换效率。因此需要优化多晶硅生长过程来提高其转化效率。本文以工业化生产用DSS450定向凝固多晶炉为模型,根据热传递理论,物质传输、流体动力学等理论以及动量、质量的基本控制方程建立数学及物理模型,并利用专业晶体生长软件CGSim对DSS450定向凝固炉进行了数值分析,主要工作如下:（1）针对不同厚度的石墨坩埚结构对多晶硅生长初期进行稳态模拟,研究了五种不同结构厚度（15、17、18、20、25 mm）的石墨坩埚对多晶硅铸锭炉内温度场、硅熔体流场、固液界面以及硅晶体应力场和V/G值的影响,结果表明:结构厚度为20 mm时比25 mm厚时的坩埚侧壁最大流量小13.9%,可以减缓因硅熔体流动较大引入的氧杂质,随着结构厚度的增大,固液界面曲率越小,随着结构厚度的均匀增加固液界面挠度的变化越来越小,20 mm到25 mm的过程中最大挠度差仅为0.2 mm,铸锭过程中石墨坩埚主要作用是热传递。综合考虑固液界面平坦程度,较低的热应力与V/G值,有利于高质量晶体的生长,石墨坩埚厚度为20 mm为最佳结构厚度。（2）对多晶硅退火过程进行非稳态模拟,研究了五种不同退火温度（1100、1 150、1200、1250、130℃）和五种不同退火时间（1、2、3、4、5h）对铸锭内热应力、位错密度、位错增殖速率、残余应力及剪切应力的影响并确定出最佳的退火工艺,结果表明:退火1h后比未退火时硅锭中应力大于7×105 Pa的面积减小了约50%,高温退火比低温退火更有效减小硅锭内热应力、剪切应力及位错密度,随着退火温度和时间的增加,最大热应力和位错增殖速率逐渐降低,退火3h后降低的效果减小,几乎不会产生新的位错。综合考虑上述因素,最佳退火方案为在1300或1250℃下退火3 h。（3）对多晶硅冷却过程进行了非稳态模拟,研究了五种不同冷却速率（2、5、7、9、12℃/min）对硅锭内最大热应力、硅锭上下表面温度和位错密度、硅锭内位错密度及位错增殖速率、石英坩埚壁上的C、N、O含量、硅锭上表面Si2N2O、Si3N4及SiC沉积分布。结果表明:缓慢的冷却速率可以有效的降低硅锭内的应力值,当冷却速率为2℃/min在冷却2 h后的应力值最低,为2.1754 MPa,远远小于其它冷却速率下的应力值。硅晶体中热应力骤增主要发生在冷却阶段,与未冷却时相比至少增加了 1.49672 MPa,冷却速率为9℃/min时,Si2N2O、Si3N4和SiC沉积浓度均小于其它方案,且此方案下硅锭内温度更接近于工业中自然冷却温度,最佳冷却速率为9℃/min。