多晶矽鑄錠爐是多晶矽製造的關(guan) 鍵設備之一，其工藝流程的穩定性、設備控製的穩定性和先進性直接關(guan) 係到是否能夠生產(chan) 出合格的矽錠，而合格的矽錠直接決(jue) 定著矽片製成的電池的光電轉換效率。因此，詳細地介紹了多晶矽鑄錠爐的生產(chan) 工藝，並主要對抽真空係統，壓力控製係統、加熱係統、測溫係統、保溫層升降係統等設備組成展開分析，探討了控製係統的硬件控製結構、軟件流程以及在設計時體(ti) 現出的獨到的設計理念和創新性。

在世界能源形勢日益嚴(yan) 峻的當下，太陽能光伏產(chan) 業(ye) 得到了迅速的發展。矽是太陽能電池重要的化學組成，多晶矽鑄錠爐可以通過熔融和定向長晶凝固技術對矽進行調整和切片，使其成為(wei) 符合太陽能電池生產(chan) 要求的材料。完善的生產(chan) 工藝控製係統和科學的設備組成使得多晶矽鑄錠爐可以保證較高的可靠性和穩定性。

1、多晶矽鑄錠爐生產(chan) 工藝

多晶矽鑄錠爐的生產(chan) 工藝是將熱交換法和布裏曼法進行了結合，矽在鑄錠爐內(nei) 發生結晶，矽錠生產(chan) 加熱過程中底部的隔熱層和爐的保溫層確保了嚴(yan) 密的閉合狀態，從(cong) 而避免了矽錠生產(chan) 熱量的外泄和溫度的不均衡造成的矽錠受熱不均衡，為(wei) 矽錠長晶創造了良好的環境。當鑄錠爐內(nei) 的矽錠出現結晶情況時，開始向爐內(nei) 充入保護器，在保持熔融矽原料的坩堝位置不變的情況下將保溫層進行升高，這時保溫層與(yu) 隔熱層之間會(hui) 出現縫隙，坩堝底部的熱量便會(hui) 通過這個(ge) 空隙散發出去，爐壁和氣體(ti) 這樣的熱量置換使得坩堝底部的溫度逐漸降低，已經完成結晶的材料便會(hui) 從(cong) 加熱區離開，但是熔融的矽液體(ti) 卻不會(hui) 離開，使得矽錠結晶過程中固體(ti) 和液體(ti) 的界麵形成了較為(wei) 穩定的溫度梯度。鑄錠爐生產(chan) 工藝的特點表現為(wei) 液相溫度梯度與(yu) 常數接近和矽錠生長速度可調節。鑄錠爐生產(chan) 工藝加工既可以是方形的多晶矽材料也可以是大型矽錠。鑄錠爐多晶矽生產(chan) 總體(ti) 耗電量較低，且對於(yu) 原料純度要求較為(wei) 寬鬆，多晶矽的生產(chan) 效率較高，而且使用這種矽片的電池太陽能轉換的效率也十分出色。在大規模工業(ye) 化生產(chan) 模式下，業(ye) 內(nei) 對多晶矽生產(chan) 工藝流程和各個(ge) 環節的參數進行了統一的規定。多晶矽的生產(chan) 工藝可以分為(wei) 預熱、熔化、長晶、退火和冷卻五個(ge) 步驟，工藝參數如表1所示。

2、多晶矽鑄錠爐設備組成

2.1、抽真空係統

多晶矽的加工工藝對於(yu) 真空度的要求較高，抽真空係統的作用就是保持矽錠可以在真空狀態下得到處理。不同的工藝環節對於(yu) 真空度的要求存在較大的差異，抽真空係統需要對爐內(nei) 的壓力和真空狀態進行控製和調整。多晶矽鑄錠爐抽真空係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(nei) 壓力在合適的範圍之內(nei) ，為(wei) 多晶矽矽錠的生長提供良好的氣氛。鑄錠爐抽真空係統的具體(ti) 設備有羅茨泵、比例閥旁路抽氣係統和機械泵[1]。

2.2、壓力控製係統

根據多晶矽生產(chan) 工藝的要求鑄錠爐設置了壓力控製係統，負責對爐內(nei) 的壓力進行調控，確保矽錠在特定時間段內(nei) 可以處於(yu) 適當的壓力環境中。壓力控製係統的調控需要結合長晶的實際狀況，對矽錠實時分析信息是壓力控製係統工作的基本判斷依據。

2.3、加熱係統

溫度可以說是多晶矽生產(chan) 中最為(wei) 關(guan) 鍵的工藝參數，因而加熱係統也就顯得尤為(wei) 重要。鑄錠爐采用加熱體(ti) 來實現對環境和規定原料的加熱，這些加熱體(ti) 全部由中央處理器進行統一的控製，在加工過程中將矽錠生產(chan) 各個(ge) 階段對於(yu) 溫度的要求輸入係統作為(wei) 設定值，加熱係統可以對爐內(nei) 溫度進行精確的控製，確保矽錠有適宜的溫度來長晶。

2.4、測溫係統

測溫係統得到的信息數據可以為(wei) 加熱係統提供依據，測溫係統可以對鑄錠爐內(nei) 矽錠長晶過程的溫度變化情況進行檢測和實時分析，並將實際的溫度參數與(yu) 設定值進行比較，當出現參數誤差時可以及時進行調整，為(wei) 多晶矽矽錠生產(chan) 提供適宜的環境。

2.5、保溫層升降係統

保溫層升降係統的工作效果會(hui) 對鑄錠爐內(nei) 矽錠的長晶速度產(chan) 生顯著的影響，為(wei) 了提高生產(chan) 效率確保矽錠的長晶速度和成品質量保溫層並將係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係統通過精密的機械來實現對係統升降時間和速度的控製，確保矽錠晶核優(you) 良，為(wei) 高效的太陽能光伏電池光電轉化提供保障[2]。

3、多晶矽鑄錠爐控製係統

3.1、控製係統硬件結構組成

多晶矽鑄錠爐的生產(chan) 規模較大且生產(chan) 工藝控製較為(wei) 複雜，為(wei) 了確保生產(chan) 質量和控製係統成效需要有強大的計算機控製係統來進行統一的管理和匯總。分布式現場總線控製係統是目前十分常用的多晶矽鑄錠爐控製係統，主要包括現場控製器、控製單元、中央處理器和執行機構四個(ge) 部分組成。該控製係統的硬件結構可以實現通訊冗餘(yu) ，控製器冗餘(yu) ，因而故障的發生幾率也可以得到有效的控製。鑄錠爐的現場控製器和中央處理器之間通過以太網實現連接，總控製台向中央控製器發出指令，中央控製器再將接受到的指令接著傳(chuan) 遞給現場控製器，根據現場控製器發回的實際情況再向執行機構下達動作指令。分布式總線控製係統的應用為(wei) 全自動化的多晶矽生產(chan) 提供了基礎。

3.2、控製係統軟件控製流程

硬件係統相適應的控製軟件和控製程序可以實現控製參數的優(you) 化和控製精度的提高，多晶矽鑄錠爐的軟件控製係統主要包括工藝配方編輯係統和長晶狀況實時分析判斷係統兩(liang) 大部分。其中工藝配方編輯係統為(wei) 技術和管理人員提供了更為(wei) 便捷的工藝配方編輯和處理方法，從(cong) 而及時發現配方中存在的不足並加以改正。長晶狀況實時分析判斷係統可以對鑄錠爐內(nei) 矽錠的長晶參數進行實時分析判斷，並對存在誤差的參數進行及時的調整，為(wei) 其他控製係統的工作提供依據，這也是多晶矽鑄錠爐設備控製的核心部分。預熱階段對坩堝內(nei) 矽料加熱的同時將空氣中的有害氣體(ti) 排出，避免其對矽料產(chan) 生不良影響。長晶狀況實時分析判斷係統可以在熔化階段將傳(chuan) 感器傳(chuan) 回的矽料狀況進行分析，為(wei) 技術人員的操作提供指示。退火階段通過對恒溫場溫度的分析采取合適的溫度下降速度，避免過快降溫對矽錠造成負麵作用。冷卻階段控製矽錠進行自然降溫，最後矽錠出爐，該軟件係統的工作完畢。

4、結語

多晶矽鑄錠爐已經成為(wei) 太陽能光伏產(chan) 業(ye) 發展的重要設備，加強其生產(chan) 工藝控製技術和設備組成情況的研究有利於(yu) 提高鑄錠爐的生產(chan) 水平，促進矽片生產(chan) 質量的提高和太陽能光伏電池製造水平的進步。我國自主研發的多晶矽鑄錠爐早在2008就已經問世，並且在實踐中得到了很好的應用效果。