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　　引言

 

　　在世界能源形勢日益嚴峻的當下，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(cháng)晶凝固技術(shù)對硅進(jìn)行調整和切片，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)工藝控制系統和科學(xué)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)行了結合，硅在鑄錠爐內發(fā)生結晶，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(cháng)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(shí)，開(kāi)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(jìn)行升高，這時(shí)保溫層與隔熱層之間會(huì )出現縫隙，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)完成結晶的材料便會(huì )從加熱區離開(kāi)，但是熔融的硅液體卻不會(huì )離開(kāi)，使得硅錠結晶過(guò)程中固體和液體的界面形成了較為穩定的溫度梯度。鑄錠爐生產(chǎn)工藝的特點(diǎn)表現為液相溫度梯度與常數接近和硅錠生長(cháng)速度可調節。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)能轉換的效率也十分出色。在大規模工業(yè)化生產(chǎn)模式下，業(yè)內對多晶硅生產(chǎn)工藝流程和各個(gè)環(huán)節的參數進(jìn)行了統一的規定。多晶硅的生產(chǎn)工藝可以分為預熱、熔化、長(cháng)晶、退火和冷卻五個(gè)步驟，工藝參數如表1所示。

　　2、多晶硅鑄錠爐設備組成

 

　　2.1、抽真空系統

 

　　多晶硅的加工工藝對于真空度的要求較高，抽真空系統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)節對于真空度的要求存在較大的差異，抽真空系統需要對爐內的壓力和真空狀態(tài)進(jìn)行控制和調整。多晶硅鑄錠爐抽真空系統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(cháng)提供良好的氣氛。鑄錠爐抽真空系統的具體設備有羅茨泵、比例閥旁路抽氣系統和機械泵[1]。

 

　　2.2、壓力控制系統

 

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

 

　　2.3、加熱系統

 

　　溫度可以說(shuō)是多晶硅生產(chǎn)中最為關(guān)鍵的工藝參數，因而加熱系統也就顯得尤為重要。鑄錠爐采用加熱體來(lái)實(shí)現對環(huán)境和規定原料的加熱，這些加熱體全部由中央處理器進(jìn)行統一的控制，在加工過(guò)程中將硅錠生產(chǎn)各個(gè)階段對于溫度的要求輸入系統作為設定值，加熱系統可以對爐內溫度進(jìn)行精確的控制，確保硅錠有適宜的溫度來(lái)長(cháng)晶。

 

　　2.4、測溫系統

 

　　測溫系統得到的信息數據可以為加熱系統提供依據，測溫系統可以對鑄錠爐內硅錠長(cháng)晶過(guò)程的溫度變化情況進(jìn)行檢測和實(shí)時(shí)分析，并將實(shí)際的溫度參數與設定值進(jìn)行比較，當出現參數誤差時(shí)可以及時(shí)進(jìn)行調整，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

 

　　保溫層升降系統的工作效果會(huì )對鑄錠爐內硅錠的長(cháng)晶速度產(chǎn)生顯著(zhù)的影響，為了提高生產(chǎn)效率確保硅錠的長(cháng)晶速度和成品質(zhì)量保溫層并將系統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通過(guò)精密的機械來(lái)實(shí)現對系統升降時(shí)間和速度的控制，確保硅錠晶核優(yōu)良，為高效的太陽(yáng)能光伏電池光電轉化提供保障[2]。

 

　　3、多晶硅鑄錠爐控制系統

 

　　3.1、控制系統硬件結構組成

 

　　多晶硅鑄錠爐的生產(chǎn)規模較大且生產(chǎn)工藝控制較為復雜，為了確保生產(chǎn)質(zhì)量和控制系統成效需要有強大的計算機控制系統來(lái)進(jìn)行統一的管理和匯總。分布式現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統是目前十分常用的多晶硅鑄錠爐控制系統，主要包括現場(chǎng)控制器、控制單元、中央處理器和執行機構四個(gè)部分組成。該控制系統的硬件結構可以實(shí)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(chǎng)控制器和中央處理器之間通過(guò)以太網(wǎng)實(shí)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(zhù)傳遞給現場(chǎng)控制器，根據現場(chǎng)控制器發(fā)回的實(shí)際情況再向執行機構下達動(dòng)作指令。分布式總線(xiàn)控制系統的應用為全自動(dòng)化的多晶硅生產(chǎn)提供了基礎。

 

　　3.2、控制系統軟件控制流程

 

　　硬件系統相適應的控制軟件和控制程序可以實(shí)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主要包括工藝配方編輯系統和長(cháng)晶狀況實(shí)時(shí)分析判斷系統兩大部分。其中工藝配方編輯系統為技術(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)現配方中存在的不足并加以改正。長(cháng)晶狀況實(shí)時(shí)分析判斷系統可以對鑄錠爐內硅錠的長(cháng)晶參數進(jìn)行實(shí)時(shí)分析判斷，并對存在誤差的參數進(jìn)行及時(shí)的調整，為其他控制系統的工作提供依據，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(shí)將空氣中的有害氣體排出，避免其對硅料產(chǎn)生不良影響。長(cháng)晶狀況實(shí)時(shí)分析判斷系統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)快降溫對硅錠造成負面作用。冷卻階段控制硅錠進(jìn)行自然降溫，最后硅錠出爐，該軟件系統的工作完畢。

 

　　4、結語(yǔ)

 

　　多晶硅鑄錠爐已經(jīng)成為太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要設備，加強其生產(chǎn)工藝控制技術(shù)和設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用效果。