多晶硅鑄錠爐熱場可視化分析及其關鍵技術研究.pdf

1、隨著社會進步及工業(yè)經濟的發(fā)展，人類對能源的需求日益增大。目前煤炭、石油、天然氣等不可再生能源已不能滿足社會經濟可持續(xù)發(fā)展的需求，且在使用過程中帶來的溫室效應、環(huán)境污染以及生態(tài)破壞嚴重影響人類的生存環(huán)境。因此，世界各國不斷開發(fā)可再生能源來替代煤炭、石油、天然氣等不可再生能源。其中，太陽能光伏發(fā)電擁有無污染、普及面廣等優(yōu)點，受到世界各國的普遍重視，且各國政府已通過政策、立法等途徑對太陽能光伏發(fā)電產業(yè)進行經濟補貼與政策支持。
　　目前廣

2、泛應用的太陽能電池主要有薄膜太陽電池、硅太陽電池及其它半導體材料太陽電池。其中，多晶硅太陽電池光電轉換效率雖略低于單晶硅太陽電池，但因其具有生產成本低、能耗少、衰減小等優(yōu)點，且多晶硅鑄錠工藝技術的穩(wěn)定及對原料純度要求相對較低等優(yōu)勢，目前占據(jù)光伏發(fā)電產業(yè)近60％的市場份額。
　　制約太陽能光伏發(fā)電產業(yè)發(fā)展的瓶頸主要是其光電轉換效率還較低及使用成本高于常規(guī)能源，因此如何提高電池片光電轉換效率及有效降低生產能耗成為世界各國關注的焦點。國

3、內外學者前期嘗試采用定向凝固原理生長準單晶的方法提高光電轉換效率，準單晶電池光電轉換效率接近單晶硅片且生產成本低于單晶硅，但由于硅錠一致性差、工藝不穩(wěn)定及硅錠利用率低等原因未能實現(xiàn)普遍推廣。在降低生產成本方面，國內某企業(yè)研發(fā)出一爐四錠的多晶硅鑄錠爐。該鑄錠爐提高了單爐的鑄錠量，生產成本在一定程度上有所降低，但工藝穩(wěn)定性相對較差，目前少數(shù)廠家使用該設備用于硅料提純，由于近年來光伏發(fā)電行業(yè)市場競爭激烈，其生產風險較大，因此應用推廣較少。

4、r>　　本文著重在降低多晶硅鑄錠生產能耗、保證穩(wěn)定生產及提高晶體質量等方面進行系統(tǒng)研究，以期提高電池片光電轉換效率、降低生產能耗及光伏發(fā)電成本，進而推進光伏發(fā)電產業(yè)的應用步伐。本文主要內容包括：
　?。?）熱場可視化研究：針對現(xiàn)有設備熱效率不高，通過對多晶硅鑄錠過程中硅料熔化、晶體生長、硅錠退火等各階段進行分析研究，建立各階段熱力學數(shù)學模型及硅料導熱微分方程?；谠O備真實物理結構，建立三維可視化多物理場模型，采用仿真軟件對物理場進

5、行熱力學仿真分析，得到加熱室內溫度分布規(guī)律，通過對仿真結果與試驗數(shù)據(jù)進行分析比較，進而對仿真模型和邊界條件進行驗證和修正，提高所建立物理模型的準確性。此外，結合仿真結果，對加熱室結構提出兩種嘗試改造方案，以增大加熱室有效工作空間，對優(yōu)化后熱場模型進行數(shù)值計算，進而根據(jù)仿真結果指導設備改造。試驗結果表明：采用第二種方案改造后設備裝料重量可提高約70%，在硅錠的各項性能指標均符合技術要求的前提下，生產每千克硅錠的能耗降低約30%。
　

6、　（2）溫控特性研究：采用階躍響應法對多晶硅鑄錠爐溫控模型參數(shù)進行辨識。針對晶體生長階段溫控對象具有多變量、非線性、時變、純滯后、大慣性及強耦合等特點，本文創(chuàng)新性地提出對坩堝底部中心點溫度采用模糊控制器進行閉環(huán)控制，與加熱體溫度PID控制組成串級控制系統(tǒng)，通過對坩堝底部中心點溫度變化進行預判和準確控制，以提高其控制精度。利用MATLAB仿真軟件對所提出的模糊控制算法進行仿真設計，最終得到合理正確的控制策略。研究結果表明：在被控對象參數(shù)不

7、確定時，自適應模糊控制在抗干擾能力方面優(yōu)于常規(guī)PID控制。另外模糊控制在晶體生長階段中對溫度變化趨勢進行預判，解決隨機擾動對系統(tǒng)的影響及人工干預滯后的不足，從而提高溫控系統(tǒng)的自適應及抗干擾能力，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和晶體質量的一致性。
　?。?）工藝參數(shù)優(yōu)化研究：基于晶體生長動力學和設備特性，對晶體生長關鍵工藝參數(shù)進行分析。并對全熔工藝、準單晶工藝及半熔工藝過程進行理論分析對比，分別采用全熔及半熔工藝進行試驗，對不同工藝下制備的硅錠、

8、硅片進行性能檢測。結果表明：通過對設備熱場和溫度控制系統(tǒng)優(yōu)化改造后試驗，結果表明半熔工藝制備的硅錠晶粒大小均勻，在硅錠利用率、少子壽命及光電轉換效率方面具有顯著優(yōu)勢。
　　本論文中熱場數(shù)值計算和模糊控制仿真能夠對現(xiàn)有多晶硅鑄錠爐優(yōu)化改造提供理論指導。將本文所提出的半熔工藝投入實際生產，經過近一年的規(guī)模生產。生產結果表明：多晶硅錠的各項性能均符合技術要求，良品率達到90%以上，產能及經濟效益明顯提高。此外，本研究為同類型設備的設計和