郭 麗

（太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山西 太原 030024）

引言

能源是人類生存和發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，是人類從事各種經(jīng)濟(jì)活動的源動力。21世紀(jì)人類面臨能源短缺的危機(jī)，世界上大部分國家能源供應(yīng)不足，明顯影響經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生活的改善，世界各國都在努力開發(fā)新能源。在各種新能源中，太陽能是最有發(fā)展?jié)摿Φ目稍偕茉?，太陽能的利用是世界各國關(guān)注的熱點。

由于工業(yè)和交通的快速發(fā)展，煤、石油的大量燃燒，每年有數(shù)十億噸的有害物質(zhì)排向天空，使大氣遭遇到嚴(yán)重污染；石化能源的利用產(chǎn)生大量的有害氣體導(dǎo)致溫室效應(yīng)，引起全球氣候變化，嚴(yán)重污染了人類生存的環(huán)境。我國政府制定了《可再生能源法》，大力提倡開發(fā)利用太陽能等清潔能源，在太陽能的利用中，用太陽能電池進(jìn)行光伏發(fā)電是當(dāng)前最有發(fā)展前景的方法。多晶硅鑄錠爐、破錠機(jī)和切片機(jī)是光伏產(chǎn)業(yè)上游的關(guān)鍵設(shè)備，要想真正掌握硅片設(shè)備的制造技術(shù)，需要對所有節(jié)點的關(guān)鍵技術(shù)實施突破并實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，并對成套設(shè)備實施聯(lián)調(diào)聯(lián)試，只有掌握成套設(shè)備的制造技術(shù)，我國光伏產(chǎn)業(yè)才能真正做到自主發(fā)展。

光伏產(chǎn)業(yè)是新能源領(lǐng)域最具意義的國際化競爭產(chǎn)業(yè)，晶體硅占90%以上的光伏市場，多晶硅鑄錠環(huán)節(jié)的工藝過程控制直接決定了晶體的重要電學(xué)參數(shù)，直接影響到后續(xù)電池轉(zhuǎn)換效率的高低。目前多晶硅光伏產(chǎn)品從關(guān)鍵設(shè)備到關(guān)鍵技術(shù)均由我國掌握。多晶硅鑄錠工藝技術(shù)最初是國外掌握的傳統(tǒng)的全熔工藝，如美國GT-SOLAR公司和法國ECM公司；后續(xù)由國內(nèi)外同時研發(fā)準(zhǔn)單晶技術(shù)，如德國的ALD公司和國內(nèi)的晶澳光伏、鳳凰光伏等企業(yè)；之后只有我國進(jìn)行研發(fā)的全熔高效工藝，如英利光伏、保利協(xié)鑫能源控股有限公司、天合光能、山西中電科新能源技術(shù)有限公司、湖南紅太陽光電有限公司等企業(yè)，此時國外相關(guān)廠家技術(shù)已明顯落后；直至目前的半熔高效多晶鑄錠工藝在國內(nèi)已成主流。每一次鑄錠工藝的提升，都會使硅片的電學(xué)性能更加穩(wěn)定，晶體結(jié)構(gòu)更加理想，位錯進(jìn)一步減少。2017年我國硅片產(chǎn)量達(dá)到87 GW，同比增長34.3%，全球占比超過50%。在國家領(lǐng)跑者計劃和政策的帶動下,同等功率的高效（18.8%轉(zhuǎn)換效率）多晶硅片價格要比普通硅片高10%，但是兩者的區(qū)別僅是工藝的不同，成本幾乎一樣。

1 研究目的

該系統(tǒng)是在目前光伏關(guān)鍵工藝設(shè)備多晶硅鑄錠爐上進(jìn)行的功能升級。DDL型多晶硅鑄錠爐是晶硅光伏產(chǎn)業(yè)中的關(guān)鍵設(shè)備，該設(shè)備具有自動化程度高、鑄錠工藝過程穩(wěn)定等特點。

半熔高效過程中關(guān)鍵控制點就是底部籽晶高度的控制，籽晶保留過高會影響得料率，籽晶保留過低可能全部變?yōu)槿?，沒有半熔的效果。因此目前所有廠家均采取人工測量，采用高純石英棒緩慢插入高溫液態(tài)硅中，等玻璃棒達(dá)到固態(tài)硅時通過工人的手感來判斷再標(biāo)識位置，通過直尺的測量再計算籽晶的高度。石英玻璃的膨脹系數(shù)低，可以承受很大的熱沖擊，在1 200～1 500℃時才會變軟，該操作對人員要求高，人員工作量大，誤差大，而且所有的高純石英棒在高溫下容易變形，影響原點的判斷，一般最多使用兩次，相對測量的費用也偏高。因此研究目的就是要解決籽晶測量難度大、測量準(zhǔn)確性差、測量成本高的問題[1]。

2 機(jī)構(gòu)原理

本裝置可實現(xiàn)半熔多晶硅鑄錠時籽晶厚度的自動測量。由伺服電機(jī)控制，氮化硅棒從原點開始降落，當(dāng)測量的氮化硅棒到達(dá)固液面時，張力傳感器的拉力突然降低，控制器即可判斷此位置為固液面，通過伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)自動換算下降高度，計算顯示出目前的固液位置，操作簡單方便，而且氮化硅棒只需定期清理上面的硅殘留，可以反復(fù)使用[2]。

考慮到目前主流的多晶硅鑄錠爐石英棒測量接口的安裝問題，設(shè)計時有效利用目前的觀察孔和石英棒測量口的連接位置和尺寸，采取封閉的腔體結(jié)構(gòu)，通過磁流體密封軸承實現(xiàn)真空度的要求，設(shè)計獨立的電器控制系統(tǒng)，采取遠(yuǎn)距離操作控制方式來完成測量的自動進(jìn)行和籽晶高度的及時數(shù)字顯示。

3 機(jī)構(gòu)設(shè)置

選取氮化硅材質(zhì)的測晶棒，其高溫穩(wěn)定性好且不與液態(tài)硅發(fā)生反應(yīng)，伺服電機(jī)驅(qū)動其在自重作用下勻速下降，可下沉到液態(tài)硅中，當(dāng)?shù)竭_(dá)固液界面時，碳繩所受拉力會瞬間接近零，此時張力傳感器將會檢查到張力突然減小，即可認(rèn)為此位置已經(jīng)到了固液界面，通過伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)和碳繩的比例關(guān)系自動換算距離原點的位置，進(jìn)而可以確定剩余籽晶的高度。然后自動將測溫棒提起，當(dāng)測溫棒到達(dá)頂部的光學(xué)位置傳感器時，檢查到原點位置，電機(jī)停止運轉(zhuǎn)[3]。裝置包括：碳繩收放輪、伺服電機(jī)、碳繩，碳繩經(jīng)過導(dǎo)向輪下端掛有氮化硅測晶棒，氮化硅測晶棒初始位置經(jīng)過光學(xué)位置傳感器確定，伺服電機(jī)順時針旋轉(zhuǎn)時，氮化硅測晶棒在重力作用下下降，進(jìn)入爐體頂蓋，一直垂直降到爐內(nèi)坩堝中液態(tài)硅中，由于氮化硅測晶棒的密度大于液態(tài)硅的密度，其將繼續(xù)下降，此時張力傳感器測量到的張力會逐漸減小，當(dāng)?shù)铚y晶棒到達(dá)固態(tài)硅的界面時碳繩所受到的拉力會接近為零，此時張力傳感器的張力會接近于零，伺服電機(jī)自動記錄此時為固液分界線，通過計算自動顯示固態(tài)硅的剩余高度。同時在整個檢測過程中人員也可以從觀察窗對測量過程進(jìn)行觀察以確保檢測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。為了防止碳繩斷裂，氮化硅測晶棒掉落砸破坩堝造成溢流的危險，氮化硅測晶棒下端采取了大圓弧設(shè)計，保證氮化硅測晶棒在自由下落進(jìn)入液態(tài)硅時不會發(fā)生側(cè)移、傾倒，減少重量直接沖擊坩堝底部的危險。結(jié)構(gòu)組成如圖1所示，氮化硅測晶棒如圖2所示。

4 關(guān)鍵技術(shù)

圖1 結(jié)構(gòu)組成圖

圖2 氮化硅測晶棒

研究中需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題：真空腔體的密封和傳動問題；測量材料和柔性提升材料的選擇問題；高溫下柔性材料的溫度變化量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的采集；多次測量時程序?qū)θ嵝圆牧献兓男拚齾?shù)的設(shè)定。

5 結(jié)語

本系統(tǒng)是目前在光伏關(guān)鍵工藝設(shè)備多晶硅鑄錠爐上進(jìn)行的功能升級。實現(xiàn)了多晶硅鑄錠爐產(chǎn)品的升級，是提高光伏工藝設(shè)備和高效工藝的全面升級。

[1]成大先.機(jī)械設(shè)計手冊[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002.

[2]唐保寧,高學(xué)滿.機(jī)械設(shè)計與制造簡明手冊[M].上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，1993.

[3]張景欽，薛大同，王敬宜，編著.真空材料[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2016.