[實用新型]基于頂側分開控制多晶硅鑄錠爐的加熱控制系統

有效

• 申請號: 201120261381.0
• 申請日: 2011-07-22
• 公開（公告）號: CN202175745U
• 公開（公告）日: 2012-03-28
• 發明（設計）人: 唐駿;趙松宏;陳先榮
• 申請（專利權）人: 寧波晶元太陽能有限公司
• 主分類號: C30B28/06
• 分類號: C30B28/06;C30B29/06
• 代理公司: 杭州中成專利事務所有限公司 33212
• 代理人: 金祺

技術領域

本實用新型涉及多晶硅鑄錠爐的生產控制，特別涉及一種基于頂側分開控制多晶硅鑄錠爐的加熱控制系統，適用于制造大尺寸高品質的多晶硅錠。

背景技術

太陽能是人類取之不盡用之不竭的可再生清潔能源，在太陽能的有效利用中，太陽能光電無疑是近年來最主要、最有活力的研究領域，并由此研制和開發了太陽能電池。太陽能電池主要以硅為原料，硅是自然界常見的一種化學元素，純凈的硅熔點為1414℃，用于太陽能級多晶硅純度一般在99.99％以上。多晶硅鑄錠爐是一種專業的硅重熔設備，用于工業化生產合格的太陽能級多晶硅鑄錠。多晶硅鑄錠爐內核心環境為熱場，熱場內溫度梯度的分布決定了多晶硅鑄錠的品質。

鑄造多晶硅內部存在大量的晶界，潔凈的晶界呈非電活性，對少數載流子壽命并無影響或只有微小影響，而雜質的偏聚或沉淀會改變晶界的電活性，會顯著降低少數載流子壽命，晶界越多，影響越大；但是研究表明，如果晶界垂直于器件表面，則晶界對材料電化學性能幾乎沒有影響，所以提高晶粒大小，改善長晶方向，是目前提高多晶硅鑄錠品質的最優方法。

傳統的多晶硅鑄錠爐，一般是通過單一加熱控制方法實現生產，即生產過程中加熱功率調整由單一控制系統實現，加熱效果變化單一。這樣的技術方案導致的缺陷是：而傳統的單電源多晶硅鑄錠爐在長晶中后期，由于晶體增多，液體減少，散失熱量效果減弱，同時晶體生長高度越來越接近加熱器，尤其坩堝四壁處靠近四周的側加熱器，溫度相對坩堝中心處較高，結晶速度較慢，因而長晶界面為“凸”字形。最終，中心處先長晶完成并透頂，必須隨后再進行數小時的邊角長晶工序方能使整個硅錠表面平整，導致整個生產時間延長、能耗大幅增加。

實用新型內容

本實用新型要解決的技術問題是，克服現有技術中的不足，提供一種基于頂側分開控制多晶硅鑄錠爐的加熱控制系統。通過該加熱控制系統，能夠增大多晶硅晶粒，減少晶界，改善晶向，降低能耗，從而提高多晶硅鑄錠品質。

本實用新型解決其技術問題所采用的技術方案是：

提供一種基于頂側分開控制多晶硅鑄錠爐的加熱控制系統，包括：置于爐室內的隔熱籠體，坩堝及熱交換臺置于支撐柱上，坩堝四周設側部加熱器和側加熱器溫度傳感器，頂部設頂部加熱器和頂加熱器溫度傳感器，爐室的水冷夾套設下水溫流量傳感器和側水溫流量傳感器；所述側部加熱器接于側部電源，頂部加熱器接于頂部電源，側部電源和頂部電源通過導線連接至功率分配控制模塊，功率分配控制模塊分別電連接至中央控制模塊、加熱控制模塊和長晶高度計算模塊，加熱控制模塊分別電連接至中央控制模塊、長晶高度計算模塊和設于爐室頂部的溫控傳感器，長晶高度計算模塊分別電連接至下水溫流量傳感器、側水溫流量傳感器、側加熱器溫度傳感器、頂加熱器溫度傳感器和中央控制模塊；隔熱籠控制模塊分別電連接至隔熱籠提升系統和中央控制模塊。

基于本實用新型的頂側分開控制多晶硅鑄錠爐的加熱控制方法，包括：

由加熱控制模塊給定總功率，功率分配模塊根據長晶高度模塊反饋的晶體高度，分別對頂部加熱器和側部加熱器上的功率進行實時分配；其中，

在加熱工序，加熱控制模塊運行于功率控制模式：通過對頂部電源和側部電源的控制進而調整頂部加熱器和側部加熱器的功率，在此階段頂部加熱器加載功率P_頂與側部加熱器加載功率P_側相同，實現對硅料塊進行加熱；

當達到工藝設定溫度后進入熔化工序，加熱控制模塊運行于溫控工作模式，通過微分先行PID控制避免溫度給定值升降時引起系統振蕩；在該過程中，PID控制部分的微分先行增量式控制算法為：

Δu(k)＝K_p[e(k)-e(k-1)]+K_ie(k)-K_d[y(k)-2y(k-1)+y(k-2)]，

其中e(k)＝r(k)-y(k)，

式中，Δu(k)為PID控制器的輸出值，K_p為比例系數，e(k)為溫度偏差，K_i為積分時間常數，K_d為積分時間常數，y(k)為熱場內溫度測量值，r(k)為溫度給定值；

通過對頂部電源和側部電源的控制進而調整頂部加熱器和側部加熱器的功率，在此階段頂部加熱器加載功率P_頂與側部加熱器加載功率P_側相同，實現對硅料塊進行熔化；