摘要：

多晶硅鑄錠爐是多晶硅制造的關(guān)鍵設(shè)備之一，其工藝流程的穩(wěn)定性、設(shè)備控制的穩(wěn)定性和先進(jìn)性直接關(guān)系到是否能夠生產(chǎn)出合格的硅錠，而合格的硅錠直接決定著硅片制成的電池的光電轉(zhuǎn)換效率。因此，詳細(xì)地介紹了多晶硅鑄錠爐的生產(chǎn)工藝，并主要對(duì)抽真空系統(tǒng)，壓力控制系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、測(cè)溫系統(tǒng)、保溫層升降系統(tǒng)等設(shè)備組成展開(kāi)分析，探討了控制系統(tǒng)的硬件控制結(jié)構(gòu)、軟件流程以及在設(shè)計(jì)時(shí)體現(xiàn)出的獨(dú)到的設(shè)計(jì)理念和創(chuàng)新性。

引言

在世界能源形勢(shì)日益嚴(yán)峻的當(dāng)下，太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)得到了迅速的發(fā)展。硅是太陽(yáng)能電池重要的化學(xué)組成，多晶硅鑄錠爐可以通過(guò)熔融和定向長(zhǎng)晶凝固技術(shù)對(duì)硅進(jìn)行調(diào)整和切片，使其成為符合太陽(yáng)能電池生產(chǎn)要求的材料。完善的生產(chǎn)工藝控制系統(tǒng)和科學(xué)的設(shè)備組成使得多晶硅鑄錠爐可以保證較高的可靠性和穩(wěn)定性。

1、多晶硅鑄錠爐生產(chǎn)工藝

多晶硅鑄錠爐的生產(chǎn)工藝是將熱交換法和布里曼法進(jìn)行了結(jié)合，硅在鑄錠爐內(nèi)發(fā)生結(jié)晶，硅錠生產(chǎn)加熱過(guò)程中底部的隔熱層和爐的保溫層確保了嚴(yán)密的閉合狀態(tài)，從而避免了硅錠生產(chǎn)熱量的外泄和溫度的不均衡造成的硅錠受熱不均衡，為硅錠長(zhǎng)晶創(chuàng)造了良好的環(huán)境。當(dāng)鑄錠爐內(nèi)的硅錠出現(xiàn)結(jié)晶情況時(shí)，開(kāi)始向爐內(nèi)充入保護(hù)器，在保持熔融硅原料的坩堝位置不變的情況下將保溫層進(jìn)行升高，這時(shí)保溫層與隔熱層之間會(huì)出現(xiàn)縫隙，坩堝底部的熱量便會(huì)通過(guò)這個(gè)空隙散發(fā)出去，爐壁和氣體這樣的熱量置換使得坩堝底部的溫度逐漸降低，已經(jīng)完成結(jié)晶的材料便會(huì)從加熱區(qū)離開(kāi)，但是熔融的硅液體卻不會(huì)離開(kāi)，使得硅錠結(jié)晶過(guò)程中固體和液體的界面形成了較為穩(wěn)定的溫度梯度。鑄錠爐生產(chǎn)工藝的特點(diǎn)表現(xiàn)為液相溫度梯度與常數(shù)接近和硅錠生長(zhǎng)速度可調(diào)節(jié)。鑄錠爐生產(chǎn)工藝加工既可以是方形的多晶硅材料也可以是大型硅錠。鑄錠爐多晶硅生產(chǎn)總體耗電量較低，且對(duì)于原料純度要求較為寬松，多晶硅的生產(chǎn)效率較高，而且使用這種硅片的電池太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換的效率也十分出色。在大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)模式下，業(yè)內(nèi)對(duì)多晶硅生產(chǎn)工藝流程和各個(gè)環(huán)節(jié)的參數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)一的規(guī)定。多晶硅的生產(chǎn)工藝可以分為預(yù)熱、熔化、長(zhǎng)晶、退火和冷卻五個(gè)步驟，工藝參數(shù)如表1所示。

2、多晶硅鑄錠爐設(shè)備組成

2.1、抽真空系統(tǒng)

多晶硅的加工工藝對(duì)于真空度的要求較高，抽真空系統(tǒng)的作用就是保持硅錠可以在真空狀態(tài)下得到處理。不同的工藝環(huán)節(jié)對(duì)于真空度的要求存在較大的差異，抽真空系統(tǒng)需要對(duì)爐內(nèi)的壓力和真空狀態(tài)進(jìn)行控制和調(diào)整。多晶硅鑄錠爐抽真空系統(tǒng)除了有基礎(chǔ)的抽氣設(shè)備之外還設(shè)置了壓力檢測(cè)裝置，確保爐內(nèi)壓力在合適的范圍之內(nèi)，為多晶硅硅錠的生長(zhǎng)提供良好的氣氛。鑄錠爐抽真空系統(tǒng)的具體設(shè)備有羅茨泵、比例閥旁路抽氣系統(tǒng)和機(jī)械泵[1]。

2.2、壓力控制系統(tǒng)

根據(jù)多晶硅生產(chǎn)工藝的要求鑄錠爐設(shè)置了壓力控制系統(tǒng)，負(fù)責(zé)對(duì)爐內(nèi)的壓力進(jìn)行調(diào)控，確保硅錠在特定時(shí)間段內(nèi)可以處于適當(dāng)?shù)膲毫Νh(huán)境中。壓力控制系統(tǒng)的調(diào)控需要結(jié)合長(zhǎng)晶的實(shí)際狀況，對(duì)硅錠實(shí)時(shí)分析信息是壓力控制系統(tǒng)工作的基本判斷依據(jù)。

2.3、加熱系統(tǒng)

溫度可以說(shuō)是多晶硅生產(chǎn)中最為關(guān)鍵的工藝參數(shù)，因而加熱系統(tǒng)也就顯得尤為重要。鑄錠爐采用加熱體來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境和規(guī)定原料的加熱，這些加熱體全部由中央處理器進(jìn)行統(tǒng)一的控制，在加工過(guò)程中將硅錠生產(chǎn)各個(gè)階段對(duì)于溫度的要求輸入系統(tǒng)作為設(shè)定值，加熱系統(tǒng)可以對(duì)爐內(nèi)溫度進(jìn)行精確的控制，確保硅錠有適宜的溫度來(lái)長(zhǎng)晶。

2.4、測(cè)溫系統(tǒng)

測(cè)溫系統(tǒng)得到的信息數(shù)據(jù)可以為加熱系統(tǒng)提供依據(jù)，測(cè)溫系統(tǒng)可以對(duì)鑄錠爐內(nèi)硅錠長(zhǎng)晶過(guò)程的溫度變化情況進(jìn)行檢測(cè)和實(shí)時(shí)分析，并將實(shí)際的溫度參數(shù)與設(shè)定值進(jìn)行比較，當(dāng)出現(xiàn)參數(shù)誤差時(shí)可以及時(shí)進(jìn)行調(diào)整，為多晶硅硅錠生產(chǎn)提供適宜的環(huán)境。

2.5、保溫層升降系統(tǒng)

保溫層升降系統(tǒng)的工作效果會(huì)對(duì)鑄錠爐內(nèi)硅錠的長(zhǎng)晶速度產(chǎn)生顯著的影響，為了提高生產(chǎn)效率確保硅錠的長(zhǎng)晶速度和成品質(zhì)量保溫層并將系統(tǒng)所使用的機(jī)械設(shè)備必須具有較高的精確性。鑄錠爐的保溫層升降系統(tǒng)通過(guò)精密的機(jī)械來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)升降時(shí)間和速度的控制，確保硅錠晶核優(yōu)良，為高效的太陽(yáng)能光伏電池光電轉(zhuǎn)化提供保障[2]。

3、多晶硅鑄錠爐控制系統(tǒng)

3.1、控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)組成

多晶硅鑄錠爐的生產(chǎn)規(guī)模較大且生產(chǎn)工藝控制較為復(fù)雜，為了確保生產(chǎn)質(zhì)量和控制系統(tǒng)成效需要有強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行統(tǒng)一的管理和匯總。分布式現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(tǒng)是目前十分常用的多晶硅鑄錠爐控制系統(tǒng)，主要包括現(xiàn)場(chǎng)控制器、控制單元、中央處理器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)四個(gè)部分組成。該控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)通訊冗余，控制器冗余，因而故障的發(fā)生幾率也可以得到有效的控制。鑄錠爐的現(xiàn)場(chǎng)控制器和中央處理器之間通過(guò)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)連接，總控制臺(tái)向中央控制器發(fā)出指令，中央控制器再將接受到的指令接著傳遞給現(xiàn)場(chǎng)控制器，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)控制器發(fā)回的實(shí)際情況再向執(zhí)行機(jī)構(gòu)下達(dá)動(dòng)作指令。分布式總線(xiàn)控制系統(tǒng)的應(yīng)用為全自動(dòng)化的多晶硅生產(chǎn)提供了基礎(chǔ)。

3.2、控制系統(tǒng)軟件控制流程

硬件系統(tǒng)相適應(yīng)的控制軟件和控制程序可以實(shí)現(xiàn)控制參數(shù)的優(yōu)化和控制精度的提高，多晶硅鑄錠爐的軟件控制系統(tǒng)主要包括工藝配方編輯系統(tǒng)和長(zhǎng)晶狀況實(shí)時(shí)分析判斷系統(tǒng)兩大部分。其中工藝配方編輯系統(tǒng)為技術(shù)和管理人員提供了更為便捷的工藝配方編輯和處理方法，從而及時(shí)發(fā)現(xiàn)配方中存在的不足并加以改正。長(zhǎng)晶狀況實(shí)時(shí)分析判斷系統(tǒng)可以對(duì)鑄錠爐內(nèi)硅錠的長(zhǎng)晶參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析判斷，并對(duì)存在誤差的參數(shù)進(jìn)行及時(shí)的調(diào)整，為其他控制系統(tǒng)的工作提供依據(jù)，這也是多晶硅鑄錠爐設(shè)備控制的核心部分。預(yù)熱階段對(duì)坩堝內(nèi)硅料加熱的同時(shí)將空氣中的有害氣體排出，避免其對(duì)硅料產(chǎn)生不良影響。長(zhǎng)晶狀況實(shí)時(shí)分析判斷系統(tǒng)可以在熔化階段將傳感器傳回的硅料狀況進(jìn)行分析，為技術(shù)人員的操作提供指示。退火階段通過(guò)對(duì)恒溫場(chǎng)溫度的分析采取合適的溫度下降速度，避免過(guò)快降溫對(duì)硅錠造成負(fù)面作用。冷卻階段控制硅錠進(jìn)行自然降溫，最后硅錠出爐，該軟件系統(tǒng)的工作完畢。

4、結(jié)語(yǔ)

多晶硅鑄錠爐已經(jīng)成為太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要設(shè)備，加強(qiáng)其生產(chǎn)工藝控制技術(shù)和設(shè)備組成情況的研究有利于提高鑄錠爐的生產(chǎn)水平，促進(jìn)硅片生產(chǎn)質(zhì)量的提高和太陽(yáng)能光伏電池制造水平的進(jìn)步。我國(guó)自主研發(fā)的多晶硅鑄錠爐早在2008就已經(jīng)問(wèn)世，并且在實(shí)踐中得到了很好的應(yīng)用效果。