多晶硅鑄錠爐生產工藝控制技術和設備組成

呂　濤，趙科巍，申開愉

（山西潞安太陽能科技有限責任公司，山西　長治　046000）

引言

在世界能源形勢日益嚴峻的當下，太陽能光伏產業(yè)得到了迅速的發(fā)展。硅是太陽能電池重要的化學組成，多晶硅鑄錠爐可以通過熔融和定向長晶凝固技術對硅進行調整和切片，使其成為符合太陽能電池生產要求的材料。完善的生產工藝控制系統(tǒng)和科學的設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　多晶硅鑄錠爐生產工藝

多晶硅鑄錠爐的生產工藝是將熱交換法和布里曼法進行了結合，硅在鑄錠爐內發(fā)生結晶，硅錠生產加熱過程中底部的隔熱層和爐的保溫層確保了嚴密的閉合狀態(tài)，從而避免了硅錠生產熱量的外泄和溫度的不均衡造成的硅錠受熱不均衡，為硅錠長晶創(chuàng)造了良好的環(huán)境。當鑄錠爐內的硅錠出現結晶情況時，開始向爐內充入保護器，在保持熔融硅原料的坩堝位置不變的情況下將保溫層進行升高，這時保溫層與隔熱層之間會出現縫隙，坩堝底部的熱量便會通過這個空隙散發(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，已經完成結晶的材料便會從加熱區(qū)離開，但是熔融的硅液體卻不會離開，使得硅錠結晶過程中固體和液體的界面形成了較為穩(wěn)定的溫度梯度。鑄錠爐生產工藝的特點表現為液相溫度梯度與常數接近和硅錠生長速度可調節(jié)。鑄錠爐生產工藝加工既可以是方形的多晶硅材料也可以是大型硅錠。鑄錠爐多晶硅生產總體耗電量較低，且對于原料純度要求較為寬松，多晶硅的生產效率較高，而且使用這種硅片的電池太陽能轉換的效率也十分出色。在大規(guī)模工業(yè)化生產模式下，業(yè)內對多晶硅生產工藝流程和各個環(huán)節(jié)的參數進行了統(tǒng)一的規(guī)定。多晶硅的生產工藝可以分為預熱、熔化、長晶、退火和冷卻五個步驟，工藝參數如表1所示。

表1　多晶硅生產工藝參數

2　多晶硅鑄錠爐設備組成

2.1　抽真空系統(tǒng)

多晶硅的加工工藝對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)對于真空度的要求存在較大的差異，抽真空系統(tǒng)需要對爐內的壓力和真空狀態(tài)進行控制和調整。多晶硅鑄錠爐抽真空系統(tǒng)除了有基礎的抽氣設備之外還設置了壓力檢測裝置，確保爐內壓力在合適的范圍之內，為多晶硅硅錠的生長提供良好的氣氛。鑄錠爐抽真空系統(tǒng)的具體設備有羅茨泵、比例閥旁路抽氣系統(tǒng)和機械泵[1]。

2.2　壓力控制系統(tǒng)

根據多晶硅生產工藝的要求鑄錠爐設置了壓力控制系統(tǒng)，負責對爐內的壓力進行調控，確保硅錠在特定時間段內可以處于適當的壓力環(huán)境中。壓力控制系統(tǒng)的調控需要結合長晶的實際狀況，對硅錠實時分析信息是壓力控制系統(tǒng)工作的基本判斷依據。

2.3　加熱系統(tǒng)

溫度可以說是多晶硅生產中最為關鍵的工藝參數，因而加熱系統(tǒng)也就顯得尤為重要。鑄錠爐采用加熱體來實現對環(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行統(tǒng)一的控制，在加工過程中將硅錠生產各個階段對于溫度的要求輸入系統(tǒng)作為設定值，加熱系統(tǒng)可以對爐內溫度進行精確的控制，確保硅錠有適宜的溫度來長晶。

2.4　測溫系統(tǒng)

測溫系統(tǒng)得到的信息數據可以為加熱系統(tǒng)提供依據，測溫系統(tǒng)可以對鑄錠爐內硅錠長晶過程的溫度變化情況進行檢測和實時分析，并將實際的溫度參數與設定值進行比較，當出現參數誤差時可以及時進行調整，為多晶硅硅錠生產提供適宜的環(huán)境。

2.5　保溫層升降系統(tǒng)

保溫層升降系統(tǒng)的工作效果會對鑄錠爐內硅錠的長晶速度產生顯著的影響，為了提高生產效率確保硅錠的長晶速度和成品質量保溫層并將系統(tǒng)所使用的機械設備必須具有較高的精確性。鑄錠爐的保溫層升降系統(tǒng)通過精密的機械來實現對系統(tǒng)升降時間和速度的控制，確保硅錠晶核優(yōu)良，為高效的太陽能光伏電池光電轉化提供保障[2]。

3　多晶硅鑄錠爐控制系統(tǒng)

3.1　控制系統(tǒng)硬件結構組成

多晶硅鑄錠爐的生產規(guī)模較大且生產工藝控制較為復雜，為了確保生產質量和控制系統(tǒng)成效需要有強大的計算機控制系統(tǒng)來進行統(tǒng)一的管理和匯總。分布式現場總線控制系統(tǒng)是目前十分常用的多晶硅鑄錠爐控制系統(tǒng)，主要包括現場控制器、控制單元、中央處理器和執(zhí)行機構四個部分組成。該控制系統(tǒng)的硬件結構可以實現通訊冗余，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。鑄錠爐的現場控制器和中央處理器之間通過以太網實現連接，總控制臺向中央控制器發(fā)出指令，中央控制器再將接受到的指令接著傳遞給現場控制器，根據現場控制器發(fā)回的實際情況再向執(zhí)行機構下達動作指令。分布式總線控制系統(tǒng)的應用為全自動化的多晶硅生產提供了基礎。

3.2　控制系統(tǒng)軟件控制流程

硬件系統(tǒng)相適應的控制軟件和控制程序可以實現控制參數的優(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)和長晶狀況實時分析判斷系統(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，從而及時發(fā)現配方中存在的不足并加以改正。長晶狀況實時分析判斷系統(tǒng)可以對鑄錠爐內硅錠的長晶參數進行實時分析判斷，并對存在誤差的參數進行及時的調整，為其他控制系統(tǒng)的工作提供依據，這也是多晶硅鑄錠爐設備控制的核心部分。預熱階段對坩堝內硅料加熱的同時將空氣中的有害氣體排出，避免其對硅料產生不良影響。長晶狀況實時分析判斷系統(tǒng)可以在熔化階段將傳感器傳回的硅料狀況進行分析，為技術人員的操作提供指示。退火階段通過對恒溫場溫度的分析采取合適的溫度下降速度，避免過快降溫對硅錠造成負面作用。冷卻階段控制硅錠進行自然降溫，最后硅錠出爐，該軟件系統(tǒng)的工作完畢。

4　結語

多晶硅鑄錠爐已經成為太陽能光伏產業(yè)發(fā)展的重要設備，加強其生產工藝控制技術和設備組成情況的研究有利于提高鑄錠爐的生產水平，促進硅片生產質量的提高和太陽能光伏電池制造水平的進步。我國自主研發(fā)的多晶硅鑄錠爐早在2008就已經問世，并且在實踐中得到了很好的應用效果。

[1]高明霞.太陽能級多晶硅鑄錠技術研究現狀及發(fā)展趨勢[J].能源與節(jié)能，2017（1）：61-62.

[2]陸曉東.多晶硅片表面缺陷的研究與定向凝固多晶硅錠熱場模擬[J].電子元件與材料，2016（7）：32-36.