光伏太阳能电池目前已经成为新能源产业的主导,定向凝固（铸锭）多晶硅仍为光伏电池的主流材料。采用数值模拟方法对定向凝固多晶硅晶体生长过程进行研究,可以探索其生长行为和微观缺陷形成机制,从而有利于提高晶体生长质量,提高光电转换效率。传统的晶体生长数值模拟技术普遍采用有限元等方法,且为二维模拟,不能全面反映晶体生长信息。建立宏微观耦合模型,模拟其三维的晶体生长过程,具有重要的研究和应用价值。本文自建三维元胞自动机-格子玻尔兹曼（CA-LBM）耦合模型,模拟研究了硅晶体三维小平面界面生长过程、三维小平面枝晶生长过程、三维晶粒竞争、三维小平面柱状晶向等轴晶转变过程。其中,采用格子玻尔兹曼方法来计算三维多物理场,采用元胞自动机方法模拟晶体的形核、生长及捕获过程。（1）建立的三维CA-LBM模型中综合考虑了界面能各向异性和动力学各向异性这两个对晶体小平面形成有影响的因素,选择新的界面能各向异性函数来描述高各向异性的小平面界面生长过程。计算结果能够展示出硅晶体的三维小平面界面生长特征。模拟了生长过程中的三维温场,并分析其由于凝固潜热释放造成的生长界面前沿负温度梯度以及小平面吞并现象。（2）建立具有更高界面能各向异性和动力学各向异性的三维CA-LBM模型。模拟研究了单个硅等轴晶的三维小平面生长过程。计算结果表明,单个等轴硅枝晶具有明显的小平面特征,表现了与非小平面枝晶完全不同的高各向异性。在高各向异性的条件下,小平面枝晶出现取向缺失以及小平面界面等典型的高各向异性特征。过冷度较大时,小平面枝晶的生长速度增大,小平面界面更加尖锐。各向异性强度的不同,会导致枝晶的小平面界面形貌发生变化,各向异性小时较平滑,各向异性强时,界面更尖锐。（3）建立针对多晶硅定向凝固过程全域模拟的三维计算模型。结果表明,定向凝固过程中不同晶向的晶粒之间会存在竞争现象,处于竞争优势的晶粒体积会增大,处于弱势的晶粒会消失。小平面界面向等轴晶转变,相互邻近的枝晶间会由于凝固潜热的释放而导致温度升高,并影响枝晶臂的生长速度与形状。其生长速度减慢,枝晶臂相对短小。对生长过程中的三维流场和生长形貌进行了模拟和分析。