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)系到是否生成出合格的硅錠，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。比較詳細(xì)地介紹了多晶硅鑄錠爐典型的生產(chǎn)工藝、設(shè)備組成和控制系統(tǒng)。重點(diǎn)介紹了控制系統(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。
        多晶硅鑄錠爐是太陽能光伏產(chǎn)業(yè)中，最為重要的設(shè)備之一。它通過使用化學(xué)方法得到的高純度硅熔融，調(diào)整成為適合太陽能電池的化學(xué)組成，采用定向長晶凝固技術(shù)將溶體制成硅錠。這樣，就可切片供太陽能電池使用。
        多晶硅鑄錠爐采用的生長方法主要為熱交換法與布里曼法結(jié)合的方式。這種類型的結(jié)晶爐，在加熱過程中保溫層和底部的隔熱層閉合嚴(yán)密，保證加熱時(shí)內(nèi)部熱量不會(huì)大量外泄，保證了加熱的有效性及加熱的均溫j生。開始結(jié)晶時(shí)，充入保護(hù)氣，裝有熔融硅料的坩堝不動(dòng)，將保溫層緩慢向上移動(dòng)，坩堝底部的熱量通過保溫層與隔熱層之間的空隙發(fā)散出去，通過氣體與爐壁的熱量置換，逐漸降低坩堝底托的溫度。在此過程中，結(jié)晶好的晶體逐步離開加熱區(qū)，而熔融的硅液仍然處在加熱區(qū)內(nèi)。這樣在結(jié)晶過程中液固界面形成比較穩(wěn)定的溫度梯度，有利于晶體的生長。其特點(diǎn)是液相溫度梯度dT／dX接近常數(shù)，生長速度可調(diào)。
        通過多晶硅鑄錠法所獲得的多晶硅可直接獲得方形材料，并能制出大型硅錠；電能消耗低，并能用較低純度的硅作投爐料；全自動(dòng)鑄錠爐生產(chǎn)周期大約50 h可生產(chǎn)200 kg以上的硅錠，晶粒的尺寸達(dá)到厘米級(jí)；采用該工藝在多晶硅片上做出電池轉(zhuǎn)換效率超過14％ 。
        多晶硅鑄錠爐融合了當(dāng)今先進(jìn)的工藝技術(shù)、控制技術(shù)、設(shè)備設(shè)計(jì)及制造技術(shù)，使它不僅具有完善的性能，而且具有穩(wěn)定性好、可靠性高，適合長時(shí)間、大批量太陽能級(jí)多晶硅的生產(chǎn)。
1 多晶硅鑄錠爐的主要工藝特點(diǎn)
        為了保證產(chǎn)品的性能及一致性，并適應(yīng)大批量太陽能級(jí)多晶硅的生產(chǎn)。根據(jù)以上的多晶硅鑄錠爐定向生長凝固技術(shù)原理，并結(jié)合我國當(dāng)前實(shí)際需要，我們特別制定了以下的工藝流程。

        多晶硅主要工藝參數(shù)如下。
        第一步：預(yù)熱
        (1)預(yù)熱真空度：大約1．05 mPa；(2)預(yù)熱溫度：室溫一1 200 oC；(3)預(yù)熱時(shí)間：大約15 h；(4)預(yù)熱保溫要求：完全保溫。
        第二步：熔化
        (1)熔化真空度：大約44．1 Pa；(2)熔化溫度：1 200℃ ～1 550℃ ；(3)熔化時(shí)間：大約5 h；(4)熔化保溫要求：完全保溫；(5)開始充保護(hù)氣。
        第三步：長晶
        (1)長晶真空度：大約44．1 Pa；(2)長晶溫度：1 440℃ ～1 400 oE；(3)長晶時(shí)間：大約10 h；(4)長晶保溫要求：緩慢取消保溫；(5)連續(xù)充保護(hù)氣。
        第四步：退火
        (1)退火真空度：大約44．1 Pa；(2)退火溫度：i 400℃ ～1 000 oC；(3)退火時(shí)間：大約8．5 h；(4)退火保溫要求：完全保溫；(5)連續(xù)充保護(hù)氣。
        第五步：冷卻
        (1)冷卻真空度：大約52．5 Pa；(2)冷卻溫度：1 000℃ ～400~C；(3)冷卻時(shí)問：大約6 h；(4)冷卻保溫要求：完全保溫；(5)連續(xù)充保護(hù)。
2 多晶硅鑄錠爐設(shè)備組成
        為了完成上述連續(xù)的工藝過程，全自動(dòng)多晶硅鑄錠爐設(shè)計(jì)由下面幾大部分組成，它們分別為抽真空系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、測(cè)溫系統(tǒng)、保溫層升降系統(tǒng)、壓力控制系統(tǒng)及其它輔助系統(tǒng)。
        2．1 抽真空系統(tǒng)
        抽真空系統(tǒng)是保持硅錠在真空下，進(jìn)行一系列處理，要求在不同的狀態(tài)下，保持爐內(nèi)真空壓力控制在一定范圍內(nèi)。這就要求真空系統(tǒng)既有抽真空設(shè)備，同時(shí)還有很靈敏的壓力檢測(cè)控制裝置。保證硅錠在生長過程中，處于良好的氣氛中。抽真空系統(tǒng)由機(jī)械泵和羅茨泵、比例閥旁路抽氣系統(tǒng)組成。

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    2．2 加熱系統(tǒng)
        加熱系統(tǒng)是保持工藝要求的關(guān)鍵，采用發(fā)熱體加熱，由中央控制器控制發(fā)熱體，并可保證恒定溫場(chǎng)內(nèi)溫度可按設(shè)定值變化；同時(shí)控制溫度在一精度范圍內(nèi)。完成硅錠在長晶過程中對(duì)溫度的精確要求。
        2．3 測(cè)溫系統(tǒng)
        測(cè)溫系統(tǒng)是檢測(cè)爐內(nèi)硅錠在長晶過程中溫度的變化，給硅錠長晶狀況實(shí)時(shí)分析判斷系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)，以便使長晶狀況實(shí)時(shí)分析判斷系統(tǒng)隨時(shí)調(diào)整長晶參數(shù)，使這一過程處于良好狀態(tài)。
        2．4 保溫層升降系統(tǒng)
        保溫層升降機(jī)構(gòu)是保證硅錠在長晶過程中，保持良好的長晶速度，它是通過精密機(jī)械升降系統(tǒng)，并配備精確的位置、速度控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。保證硅錠晶核形成的優(yōu)良性，保證光電轉(zhuǎn)化的高效性。
        2．5 壓力控制系統(tǒng)
        壓力控制系統(tǒng)主要保證爐內(nèi)硅錠在生長過程中，在一特定時(shí)問段內(nèi)，壓力根據(jù)工藝要求保持在一壓力下。它由長晶狀況實(shí)時(shí)分析判斷系統(tǒng)來控制。
        2．6 其它輔助系統(tǒng)
        (1)熔化及長晶結(jié)束自動(dòng)判斷系統(tǒng)：通過i貝0量裝置檢測(cè)硅料狀態(tài)，自動(dòng)判斷硅料的狀態(tài)，為控制系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)判斷控制長晶。
        (2)系統(tǒng)故障診斷及報(bào)警系統(tǒng)：為了保證系統(tǒng)長時(shí)間可靠運(yùn)行，系統(tǒng)提供了系統(tǒng)故障自診斷功能，采用人機(jī)對(duì)話方式，幫助使用者發(fā)現(xiàn)故障，及時(shí)排除故障，為設(shè)備安全可靠的運(yùn)行提供了安全保障。

3 多晶硅鑄錠爐控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)組成
        為了實(shí)現(xiàn)設(shè)備的幾大系統(tǒng)功能，必須有強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)來完成，以往簡單的控制系統(tǒng)已難當(dāng)此任。本控制系統(tǒng)采用分布式現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，它由中央控制器、現(xiàn)場(chǎng)控制器、現(xiàn)場(chǎng)控制器的控制單元、執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。該系統(tǒng)不僅通訊可以冗余，控制器也可以冗余，故障率幾乎為零。中央控制器與現(xiàn)場(chǎng)控制器之間通過工業(yè)以太網(wǎng)聯(lián)接起來。由控制臺(tái)發(fā)布指令，中央控制器接受指令，通過網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)下達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)控制器，現(xiàn)場(chǎng)控制器根據(jù)實(shí)際情況分析判斷，給執(zhí)行機(jī)構(gòu)下達(dá)動(dòng)作命令。
        它的硬件控制組成如圖1所示。

        在此系統(tǒng)中，為了將來實(shí)現(xiàn)工廠自動(dòng)化管理，控制臺(tái)可作為服務(wù)器，為工廠自動(dòng)化管理提供科學(xué)管理、科學(xué)決策提供了信息共享的平臺(tái)。
4 多晶硅鑄錠爐控制系統(tǒng)軟件控制流程
        強(qiáng)大的硬件系統(tǒng)，必須有相應(yīng)的控制軟件提供強(qiáng)有力的控制算法，合理的控制程序作為保障，才能使控制的參數(shù)得到優(yōu)化，達(dá)到控制的精度，并提供設(shè)備故障的自診斷，為設(shè)備的可靠、安全運(yùn)行提供保障。
        4．1 工藝配方編輯系統(tǒng)
        提供設(shè)備工藝配方編輯的環(huán)境，使用戶方便地對(duì)工藝配方進(jìn)行編輯輸入、修改。提供智能化的工藝配方合理性檢查，排除工藝配方中錯(cuò)誤以及不合理的地方。

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        4．2 長晶狀況實(shí)時(shí)分析判斷系統(tǒng)
        在鑄錠爐的工藝運(yùn)行過程中，可分為預(yù)熱流程、熔化流程、長晶流程、退火程和冷卻流程等幾個(gè)主要流程。在這幾個(gè)流程運(yùn)行過程中，長晶狀況實(shí)時(shí)分析判斷系統(tǒng)要實(shí)時(shí)分析判斷各個(gè)長晶參數(shù)，以便隨時(shí)對(duì)它們作出調(diào)整，以最合適的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行控制。
        長晶狀況實(shí)時(shí)分析判斷系統(tǒng)是設(shè)備控制的核心部分，對(duì)它的合理規(guī)劃和合理設(shè)計(jì)，充分體現(xiàn)設(shè)備的創(chuàng)新性，具有完全的自主的知識(shí)產(chǎn)權(quán)。在預(yù)熱階段，對(duì)坩堝中硅料進(jìn)行緩慢的加熱，并排除爐內(nèi)的氣體，使空氣中的有害氣體成分對(duì)硅料不會(huì)產(chǎn)生影響。
        在熔化階段，加熱溫度超過硅料融化溫度，使硅料充分融化為液態(tài)，為下一步凝固長晶做好準(zhǔn)備。這期間長晶狀況實(shí)時(shí)分析判斷系統(tǒng)，通過傳感器隨時(shí)對(duì)爐內(nèi)硅料融化情況作出分析判斷，通過人機(jī)對(duì)話平臺(tái)，隨時(shí)作出提示。

    在長晶階段，長晶狀況實(shí)時(shí)分析判斷系統(tǒng)，使處于恒溫場(chǎng)中的熔融硅料通過保溫層的提升系統(tǒng)，坩堝中的熔融硅料自下向上，緩慢地進(jìn)入冷場(chǎng)中，完成凝固長晶。由于保溫層的提升速度可自由控制，因此長晶速度就可控制，這樣就可生長出高品質(zhì)的硅錠。這期間長晶狀況實(shí)時(shí)分析判斷系統(tǒng)，通過傳感器隨時(shí)對(duì)爐內(nèi)硅料生長情況作出分析判斷，通過人機(jī)對(duì)話平臺(tái)，隨時(shí)作出提示。
        在退火階段，長晶狀況實(shí)時(shí)分析判斷系統(tǒng)對(duì)恒溫場(chǎng)中的溫度作調(diào)整，防止由于降溫過快對(duì)已長晶完成的硅錠造成不良影響。
在冷卻階段，硅錠自然降溫，為出爐做好準(zhǔn)備。
        軟件控制流程圖如圖2所示。

圖2 軟件控制流程圖

5 結(jié)論
        多晶硅鑄錠爐是我所2006年國家863科研攻關(guān)項(xiàng)目。于2006年立項(xiàng)經(jīng)過兩年艱苦攻關(guān)，在借鑒國外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合本國國情，2008年完
成工藝實(shí)驗(yàn)，取得了良好的控制效果。并已基本定型。DDL一240多晶硅鑄錠爐的工藝流程及控制系統(tǒng)屬我所自主研發(fā)，并取得了非常好的控制效果，完全達(dá)到國外同類技術(shù)的水平。在某些控制技術(shù)方面甚至超過國外同類設(shè)備。

（轉(zhuǎn)載）