多晶硅鑄錠爐熱場可視化分析及其關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、隨著社會進(jìn)步及工業(yè)經(jīng)濟(jì)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(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的需求，且在使用過程中帶來的溫室效應(yīng)、環(huán)境污染以及生態(tài)破壞嚴(yán)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(diǎn)，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(chǎn)業(yè)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)補(bǔ)貼與政策支持。
　　目前廣

2、泛應(yīng)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(dǎo)體材料太陽電池。其中，多晶硅太陽電池光電轉(zhuǎn)換效率雖略低于單晶硅太陽電池，但因其具有生產(chǎn)成本低、能耗少、衰減小等優(yōu)點(diǎn)，且多晶硅鑄錠工藝技術(shù)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(chǎn)業(yè)近60％的市場份額。
　　制約太陽能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸主要是其光電轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換效率及有效降低生產(chǎn)能耗成為世界各國關(guān)注的焦點(diǎn)。國

3、內(nèi)外學(xué)者前期嘗試采用定向凝固原理生長準(zhǔn)單晶的方法提高光電轉(zhuǎn)換效率，準(zhǔn)單晶電池光電轉(zhuǎn)換效率接近單晶硅片且生產(chǎn)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(shí)現(xiàn)普遍推廣。在降低生產(chǎn)成本方面，國內(nèi)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(chǎn)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(shè)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(chǎn)風(fēng)險較大，因此應(yīng)用推廣較少。

4、r>　　本文著重在降低多晶硅鑄錠生產(chǎn)能耗、保證穩(wěn)定生產(chǎn)及提高晶體質(zhì)量等方面進(jìn)行系統(tǒng)研究，以期提高電池片光電轉(zhuǎn)換效率、降低生產(chǎn)能耗及光伏發(fā)電成本，進(jìn)而推進(jìn)光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用步伐。本文主要內(nèi)容包括：
　　（1）熱場可視化研究：針對現(xiàn)有設(shè)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(jìn)行分析研究，建立各階段熱力學(xué)數(shù)學(xué)模型及硅料導(dǎo)熱微分方程。基于設(shè)備真實(shí)物理結(jié)構(gòu)，建立三維可視化多物理場模型，采用仿真軟件對物理場進(jìn)

5、行熱力學(xué)仿真分析，得到加熱室內(nèi)溫度分布規(guī)律，通過對仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比較，進(jìn)而對仿真模型和邊界條件進(jìn)行驗(yàn)證和修正，提高所建立物理模型的準(zhǔn)確性。此外，結(jié)合仿真結(jié)果，對加熱室結(jié)構(gòu)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(jìn)行數(shù)值計(jì)算，進(jìn)而根據(jù)仿真結(jié)果指導(dǎo)設(shè)備改造。試驗(yàn)結(jié)果表明：采用第二種方案改造后設(shè)備裝料重量可提高約70%，在硅錠的各項(xiàng)性能指標(biāo)均符合技術(shù)要求的前提下，生產(chǎn)每千克硅錠的能耗降低約30%。
　

6、?。?）溫控特性研究：采用階躍響應(yīng)法對多晶硅鑄錠爐溫控模型參數(shù)進(jìn)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(qiáng)耦合等特點(diǎn)，本文創(chuàng)新性地提出對坩堝底部中心點(diǎn)溫度采用模糊控制器進(jìn)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(diǎn)溫度變化進(jìn)行預(yù)判和準(zhǔn)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(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，最終得到合理正確的控制策略。研究結(jié)果表明：在被控對象參數(shù)不

7、確定時，自適應(yīng)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(jìn)行預(yù)判，解決隨機(jī)擾動對系統(tǒng)的影響及人工干預(yù)滯后的不足，從而提高溫控系統(tǒng)的自適應(yīng)及抗干擾能力，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和晶體質(zhì)量的一致性。
　?。?）工藝參數(shù)優(yōu)化研究：基于晶體生長動力學(xué)和設(shè)備特性，對晶體生長關(guān)鍵工藝參數(shù)進(jìn)行分析。并對全熔工藝、準(zhǔn)單晶工藝及半熔工藝過程進(jìn)行理論分析對比，分別采用全熔及半熔工藝進(jìn)行試驗(yàn)，對不同工藝下制備的硅錠、

8、硅片進(jìn)行性能檢測。結(jié)果表明：通過對設(shè)備熱場和溫度控制系統(tǒng)優(yōu)化改造后試驗(yàn)，結(jié)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(zhuǎn)換效率方面具有顯著優(yōu)勢。
　　本論文中熱場數(shù)值計(jì)算和模糊控制仿真能夠?qū)ΜF(xiàn)有多晶硅鑄錠爐優(yōu)化改造提供理論指導(dǎo)。將本文所提出的半熔工藝投入實(shí)際生產(chǎn)，經(jīng)過近一年的規(guī)模生產(chǎn)。生產(chǎn)結(jié)果表明：多晶硅錠的各項(xiàng)性能均符合技術(shù)要求，良品率達(dá)到90%以上，產(chǎn)能及經(jīng)濟(jì)效益明顯提高。此外，本研究為同類型設(shè)備的設(shè)計(jì)和