半熔高效多晶硅鑄錠中籽晶厚度自動測量系統的研究

郭 麗

（太原理工大學機械工程學院，山西 太原 030024）

引言

能源是人類生存和發展的重要物質基礎，是人類從事各種經濟活動的源動力。21世紀人類面臨能源短缺的危機，世界上大部分國家能源供應不足，明顯影響經濟發展和生活的改善，世界各國都在努力開發新能源。在各種新能源中，太陽能是最有發展潛力的可再生能源，太陽能的利用是世界各國關注的熱點。

由于工業和交通的快速發展，煤、石油的大量燃燒，每年有數十億噸的有害物質排向天空，使大氣遭遇到嚴重污染；石化能源的利用產生大量的有害氣體導致溫室效應，引起全球氣候變化，嚴重污染了人類生存的環境。我國政府制定了《可再生能源法》，大力提倡開發利用太陽能等清潔能源，在太陽能的利用中，用太陽能電池進行光伏發電是當前最有發展前景的方法。多晶硅鑄錠爐、破錠機和切片機是光伏產業上游的關鍵設備，要想真正掌握硅片設備的制造技術，需要對所有節點的關鍵技術實施突破并實現產業化，并對成套設備實施聯調聯試，只有掌握成套設備的制造技術，我國光伏產業才能真正做到自主發展。

光伏產業是新能源領域最具意義的國際化競爭產業，晶體硅占90%以上的光伏市場，多晶硅鑄錠環節的工藝過程控制直接決定了晶體的重要電學參數，直接影響到后續電池轉換效率的高低。目前多晶硅光伏產品從關鍵設備到關鍵技術均由我國掌握。多晶硅鑄錠工藝技術最初是國外掌握的傳統的全熔工藝，如美國GT-SOLAR公司和法國ECM公司；后續由國內外同時研發準單晶技術，如德國的ALD公司和國內的晶澳光伏、鳳凰光伏等企業；之后只有我國進行研發的全熔高效工藝，如英利光伏、保利協鑫能源控股有限公司、天合光能、山西中電科新能源技術有限公司、湖南紅太陽光電有限公司等企業，此時國外相關廠家技術已明顯落后；直至目前的半熔高效多晶鑄錠工藝在國內已成主流。每一次鑄錠工藝的提升，都會使硅片的電學性能更加穩定，晶體結構更加理想，位錯進一步減少。2017年我國硅片產量達到87 GW，同比增長34.3%，全球占比超過50%。在國家領跑者計劃和政策的帶動下,同等功率的高效（18.8%轉換效率）多晶硅片價格要比普通硅片高10%，但是兩者的區別僅是工藝的不同，成本幾乎一樣。

1 研究目的

該系統是在目前光伏關鍵工藝設備多晶硅鑄錠爐上進行的功能升級。DDL型多晶硅鑄錠爐是晶硅光伏產業中的關鍵設備，該設備具有自動化程度高、鑄錠工藝過程穩定等特點。

半熔高效過程中關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為全熔，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硅中，等玻璃棒達到固態硅時通過工人的手感來判斷再標識位置，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、測量準確性差、測量成本高的問題[1]。

2 機構原理

本裝置可實現半熔多晶硅鑄錠時籽晶厚度的自動測量。由伺服電機控制，氮化硅棒從原點開始降落，當測量的氮化硅棒到達固液面時，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，通過伺服電機旋轉的圈數自動換算下降高度，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，采取封閉的腔體結構，通過磁流體密封軸承實現真空度的要求，設計獨立的電器控制系統，采取遠距離操作控制方式來完成測量的自動進行和籽晶高度的及時數字顯示。

3 機構設置

選取氮化硅材質的測晶棒，其高溫穩定性好且不與液態硅發生反應，伺服電機驅動其在自重作用下勻速下降，可下沉到液態硅中，當到達固液界面時，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，即可認為此位置已經到了固液界面，通過伺服電機的旋轉圈數和碳繩的比例關系自動換算距離原點的位置，進而可以確定剩余籽晶的高度。然后自動將測溫棒提起，當測溫棒到達頂部的光學位置傳感器時，檢查到原點位置，電機停止運轉[3]。裝置包括：碳繩收放輪、伺服電機、碳繩，碳繩經過導向輪下端掛有氮化硅測晶棒，氮化硅測晶棒初始位置經過光學位置傳感器確定，伺服電機順時針旋轉時，氮化硅測晶棒在重力作用下下降，進入爐體頂蓋，一直垂直降到爐內坩堝中液態硅中，由于氮化硅測晶棒的密度大于液態硅的密度，其將繼續下降，此時張力傳感器測量到的張力會逐漸減小，當氮化硅測晶棒到達固態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，伺服電機自動記錄此時為固液分界線，通過計算自動顯示固態硅的剩余高度。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行觀察以確保檢測數據的準確性。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計，保證氮化硅測晶棒在自由下落進入液態硅時不會發生側移、傾倒，減少重量直接沖擊坩堝底部的危險。結構組成如圖1所示，氮化硅測晶棒如圖2所示。

4 關鍵技術

圖1 結構組成圖

圖2 氮化硅測晶棒

研究中需要解決的關鍵技術問題：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數據的采集；多次測量時程序對柔性材料變化的修正參數的設定。

5 結語

本系統是目前在光伏關鍵工藝設備多晶硅鑄錠爐上進行的功能升級。實現了多晶硅鑄錠爐產品的升級，是提高光伏工藝設備和高效工藝的全面升級。

[1]成大先.機械設計手冊[M].北京：化學工業出版社，2002.

[2]唐保寧,高學滿.機械設計與制造簡明手冊[M].上海：同濟大學出版社，1993.

[3]張景欽，薛大同，王敬宜，編著.真空材料[M].北京：化學工業出版社，2016.