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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)。其特點(diǎn)是液相溫度梯度dT／dX接近常數(shù)，生長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)晶
(1)長(zhǎng)晶真空度：大約44．1 Pa；(2)長(zhǎng)晶溫度：1 440℃ ～1 400 oE；(3)長(zhǎng)晶時(shí)間：大約10 h；(4)長(zhǎng)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(zhǎng)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。
