硼擴散設備溫度控制系統的研究與實現

收稿日期：2023-04-19

通信作者：彭浩（1988—），男，碩士、高級工程師，主要從事光伏設備控制軟件研發方面的研究。penghao430@163.com

DOI： 10.19911/j.1003-0417.tyn20230419.01 文章編號：1003-0417（2024）04-87-07

摘 要：近年來，隨著光伏行業持續快速的發展，n型TOPCon太陽電池技術路線得到市場認可，產能不斷擴張。硼擴散設備作為TOPCon太陽電池核心工藝設備之一受到市場極大的關注，其溫度控制系統在工藝生產過程起著決定性的作用。對比硼擴散設備實際應用過程中傳統爐體使用水平插片方式和順氣流垂直插片方式后得到的硅片片間的方阻均勻性，發現水平插片方式存在舟內中層硅片方阻偏高，方阻均勻性不滿足技術性指標要求的問題。對此設計了新型分區爐體，提出3種溫度控制系統方案，并通過工藝驗證得出滿足技術性指標要求的方案。研究結果表明：分區爐體搭配水平插片方式時，采用溫度控制系統方案3可以滿足技術性指標的要求。

關鍵詞：TOPCon太陽電池；硼擴散設備；溫度控制系統；插片方式；分區爐體

中圖分類號：TM914.4+1 文獻標志碼：A

0" 引言

隨著中國“十四五”規劃中“雙碳”目標的提出，太陽能作為極具發展潛力的清潔的可再生能源，光伏行業進入了全速發展的新時期。同時，太陽電池行業發展迅速，競爭激烈，工藝技術路線迭代不窮，太陽電池光電轉換效率記錄不斷刷新。隨著p型太陽電池的光電轉換效率逼近理論極限，n型TOPCon太陽電池制造工藝憑借其與p型PERC太陽電池制造工藝的兼容性高、升級投資小、產業鏈成熟和具備大規模量產條件等優點脫穎而出[1]，TOPCon技術已成為近年來傳統光伏廠商和新入局者進行產能布局和擴張的首選技術路線。據不完全統計，截至2023年3月，中國TOPCon太陽電池布局產能已超462 GW。

硼擴散設備和其中的硼擴散工藝是n型TOPCon太陽電池制備過程中的關鍵生產設備和重要工藝，其作用主要是在n型硅片表面摻雜硼原子形成p-n結。硼擴散設備為一種熱處理設備，溫度控制系統是其工藝生產過程中最重要的部分之一。

本文通過對硼擴散設備使用過程中分別采用水平插片方式和順氣流垂直插片方式兩種硅片插片方式時的工藝效果進行分析，設計分區爐體的3種溫度控制系統方案，并通過工藝驗證實驗分析方案的可行性。

1" 傳統溫度控制系統方案的研究與實現

1.1" 溫度控制系統

硼擴散設備的溫度控制系統的主要作用為：在硼擴散工藝過程中使爐體溫度在規定的時間內達到并穩定在目標值，保證工藝過程的順利進行。溫度控制系統的工作原理圖如圖1所示。控制器將目標溫度值傳輸給溫控模塊，溫控模塊將通過傳感器檢測到的爐體當前溫度值與目標溫度值進行比較，通過內設的比例積分微分（PID）控制算法計算出電流控制量，并傳輸給調功器，最后由調功器輸出相應的加熱電流到爐體進行加熱。

圖1" 硼擴散設備溫度控制系統的工作原理圖

Fig. 1" Working principle diagram of temperature control system for boron diffusion equipment

在溫度控制系統中，控制器是一種模塊化的嵌入式控制器，可以根據用戶的編程指令按規定任務產生控制、輸出信號；溫控模塊為一種電子調節器模塊，其輸入可以是熱電偶、熱電阻信號等，按一定規則對信號進行計算處理，并轉換成4～20 mA或0～10 mA的輸出電流等模擬量信號進行輸出；調功器也稱電力電子反饋器，是一種以晶閘管（即可控硅）為基礎，以厚膜集成電路為核心的電能功率控制裝置；爐體是加熱器，內側纏繞一定密度的爐絲，包裹著硼擴散設備的反應腔室，通電后加熱電流由爐體的引入端進入。

目前，光伏行業所用硼擴散設備大多采用爐體內舟托加小舟的方式進行裝片。硼擴散設備的反應腔室示意圖如圖2所示，爐體按照控溫區域的分布一般分為6個溫區。

1.2" 兩種硅片插片方式

目前，光伏行業所用硼擴散設備采用的硅片插片方式分別為水平插片方式和順氣流垂直插片方式。兩種插片方式及其截面示意圖分別如圖3、圖4所示。

圖3" 水平插片方式及其截面示意圖

Fig. 3" Diagram of horizontal insertion method and

its cross-section

1.3" 工藝驗證

在同1臺使用常規爐體的硼擴散設備上，設

圖4" 順氣流垂直插片方式及其截面示意圖

Fig. 4" Diagram of vertical insertion method and

its cross-section

定相同的設備硬件和工藝參數，對兩種插片方式的工藝制造效果進行驗證。

實驗過程為：

1）水平插片方式：舟托上放10個小舟，編號為1#～10#，單舟插200片硅片，工藝反應后從1#舟、5#舟和10#舟（分別代表爐口、爐中和爐尾）中由上至下分別取第2、第100和第199片硅片。

2）順氣流垂直插片方式：舟托上放10個小舟，編號為1#～10#，單舟插200片硅片，工藝反應后從1#舟、5#舟和10#舟（分別代表爐口、爐中和爐尾）中由左至右分別取第2、第100和第199片硅片。

3）兩種插片方式的硅片樣品均采用5點法測試硅片片間的方阻均勻性，即從離硅片邊緣10 mm的4個角和硅片中心處各取1個點，測量這5個點的方阻值，然后取平均值作為該硅片的擴散方阻值。取所選3片硅片的方阻平均值代表該舟硅片的片間方阻均勻性。兩種插片方式的硅片的擴散方阻對比如表1所示。

通過分析表1數據可知：順氣流垂直插片方式下，方阻均勻性良好；水平插片方式下，整舟的方阻均勻性偏高，舟內上、中、下層擴散方阻值出現分層，中層硅片與上、下層硅片的擴散方阻差值最大值達到了37.6 Ω/□。

造成水平插片方式硅片擴散方阻差值大的原因是：在硼擴散過程中，溫度對工藝結果至關重要，溫度達不到設定值時，硅片的擴散方阻值會偏高，反之則會偏低。水平插片方式中，由于小舟的上、下端板和側板，以及上、下層硅片阻擋了溫度傳導，使中層硅片溫度偏低，導致中層硅片的擴散方阻值偏高[3]。水平插片方式的熱場示意圖如圖5所示，圖中：P為舟內硅片所在位置與下端板之間的距離；T為硅片溫度。

2" 新型溫度控制系統方案的研究與實現

為適應現階段光伏市場對水平插片方式的兼容性需求，需對傳統溫度控制系統方案進行改進。針對硼擴散設備采用水平插片方式時小舟中層硅片擴散方阻值偏高的問題，可通過采用爐體截面的分區加熱設計，即使用分區爐體來解決。

圖5" 水平插片方式的熱場示意圖

Fig. 5" Schematic diagram of thermal field for

horizontal insertion method

對分區爐體分別采用3種溫度控制系統方案進行探討，得出水平插片方式下硅片的擴散方阻平均值符合技術指標的最佳方案。

2.1" 分區爐體的加熱器控制方式

分區爐體的爐體分為上層、中層和下層3個部分，其示意圖如圖6所示。

與常規爐體（見圖1）相同，分區爐體也可分為6個溫區，不同的是，分區爐體的每個溫區由若干個控溫點控制。其中，由于溫區1（爐尾）和溫區6（爐口）對爐內溫度的影響較小，各僅

圖6" 分區爐體示意圖

Fig. 6" Schematic diagram of divisional furnace

由1個控溫點控制，其他4個溫區均由3個控溫點控制，整個分區爐體共14個控溫點。

分區爐體的控溫原理為：各溫區有1個主控溫點，其余控溫點的電流控制量按比例跟隨本溫區主控溫點的電流控制量變化。假設溫區1～6的目標溫度值分別為Aa，1～Aa，6、當前溫度值分別為Ta，1～Ta，6，按溫區順序，14個控溫點對應的電流控制量分別為M1～M14、加熱電流為I1～I14。即M1和I1控制溫區1，M2、M3、M4和I2、I3、I4控制溫區2，M5、M6、M7和I5、I6、I7控制溫區3，M8、M9、M10和I8、I9、I10控制溫區4，M11、M12、M13和I11、I12、I13控制溫區5，M14和I14控制溫區6。

根據溫度控制系統的控制原理，調功器輸出的加熱電流其實是由溫控模塊給出的電流控制量決定，跟對應的電流控制量成正比。因此，對于分區爐體而言，要實現控溫點的跟隨功能只需實現電流控制量的跟隨即可。

2.2" 不同溫度控制系統方案與工藝驗證

以分區爐體的溫區2為例對工藝效果進行實驗論證，其主控溫點電流控制量為M2，跟隨控溫點的電流控制量為M3、M4；在控制器中設置跟隨系數，分別設置為ΔM3（M3=M2·ΔM3）、ΔM4（M4=M2·ΔM4）。此外，當跟隨系數都為1時，分區爐體的跟隨控溫點的電流控制量與主控溫點的相等，此時相當于關閉分區功能，與常規爐體的工藝效果相同。工藝驗證均采用本文1.3節所述的水平插片方式的工藝驗證方法。

2.2.1" 溫度控制系統方案1

溫度控制系統方案1的控制原理為：在溫控模塊的電流控制量輸出點位數量限制的情況下，要求調功器具備RS-485通信功能，跟隨控溫點的計算由控制器和調功器之間的通信實現。主控溫點電流控制量由溫控模塊控制，并以模擬量信號傳送給調功器；控制器從溫控模塊讀取主控溫點電流控制量，根據跟隨控溫點的跟隨系數計算得出跟隨控溫點的電流控制量，并通過與調功器之間建立RS-485通信將跟隨控溫點的電流控制量傳輸給調功器；調功器根據主控溫點和跟隨控溫點的電流控制量輸出3個控溫點的加熱電流給分區爐體。方案1的控制原理圖如圖7所示，工藝效果如表2所示。

圖7" 方案1的控制原理圖

Fig. 7" Diagram of control principle for scheme

由表2可以看出：方案1對整舟硅片的方阻均勻性有一定的改善，但距離技術性指標的要求仍有差距。

通過對控制原理圖進行分析，發現該差距是由通信時差引起的電流控制量不同步導致的。根據控制原理可知，主控溫點電流控制量是溫控模塊通過模擬量信號直接傳輸給調功器，而跟隨控溫點的電流控制量則需要先由控制器通過RS-485通信從溫控模塊讀取主控溫點電流控制量，計算后通過RS-485通信傳輸給調功器。

1）計算控制器與溫控模塊之間的通信時間。采用RS-485串口通信，波特率為38400 bit/s，1個字符包括1位起始位、7位數據位、1位校驗位、1位停止位，共10 bit，因此傳輸1個字符需要0.26 ms。控制器從溫控模塊讀取的數據除了主控溫點電流控制量外，還有溫度檢測值、設定值等總共7個數據，加上地址、功能碼、循環冗余校驗（CRC）等一共有36個字符，那么，從控制器發送1條讀取指令需要9.36 ms；從溫控模塊返回的數據有37個字符，則從溫控模塊發送1條回復指令需要9.62 ms。因此，從控制器發送讀取指令到收到回復指令獲得主控溫點電流控制量大概需要18.98 ms。6個溫區的數據輪詢讀取，則控制器端主控溫點電流控制量的更新周期約為113.88 ms。

2）計算控制器與調功器之間的通信時間。采用RS-485串口通信，波特率為9600 bit/s，1個字符包括1位起始位、8位數據位、1位停止位、無校驗位，共10 bit，因此傳輸1個字符需要1.04 ms。控制器發送1條寫入跟隨控溫點電流控制量的指令是13個字符，則需要13.52 ms；收到調功器發回的確認指令有8個字符，則需要8.32 ms。那么，從控制器發送跟隨控溫點的電流控制量指令到收到調功器發回的確認回復指令大概需要21.84 ms。由于溫區1和溫區6沒有跟隨控溫點，因此調功器端跟隨控溫點電流控制量的更新周期約為87.36 ms。

3） 溫控模塊與調功器之間通過模擬量信號傳輸，時間可以忽略不計。

通過前面的計算結果可知：在溫控模塊端更新主控溫點電流控制量后，調功器端主控溫點電流控制量幾乎同時更新，而調功器端跟隨控溫點電流控制量的更新會有大概32.5 ms（即18.98+13.52）～201.24 ms（即113.88+87.36）的延時。而溫控模塊的掃描周期（即主控溫點電流控制量的更新周期）為100 ms，也就是說跟隨控溫點的電流控制量會有大約1/3的加熱效果無法跟隨主控溫點的電流控制量，延時較大時，甚至可能會完全無法跟隨到主控溫點的電流控制量。

綜上可知，方案1中，由于跟隨控溫點的電流控制量產生了較大的延時，對跟隨控溫點的跟隨加熱效果產生很大的影響，導致溫度控制效果達不到設定要求，使工藝效果不及預期。

2.2.2" 溫度控制系統方案2

溫度控制系統方案2的控制原理為：在溫控模塊的電流控制量輸出點位數量限制的情況下，要求調功器具備RS-485通信功能且升級內部程序具有數據處理的功能，跟隨控溫點的計算由控制器和調功器之間的通信實現。主控溫點電流控制量由溫控模塊控制，并以模擬量信號傳送給調功器；控制器通過與調功器之間建立RS-485通信將跟隨控溫點的跟隨系數傳輸給調功器，在調功器內部計算出跟隨控溫點的電流控制量，然后調功器根據3個控溫點的電流控制量輸出3個控溫點的加熱電流給分區爐體。這樣可以保證3個控溫點的電流控制量能夠在調功器同步通過模擬量信號傳輸給分區爐體。方案2的控制原理圖如圖8所示，工藝效果如表3所示。

由表3可以看出：方案2通過改善升級方案1，整舟硅片間的方阻均勻性有了進一步的改善，爐口與爐尾的小舟基本能滿足技術性指標的要求。

2.2.3" 溫度控制系統方案3

溫度控制系統方案3的控制原理為：在溫控

圖8" 方案2的控制原理圖

Fig. 8" Diagram of control principle for scheme 2

模塊的電流控制量輸出點位數量充足的情況下，控溫點的計算全部由溫控模塊實現。主控溫點電流控制量由溫控模塊控制，并以模擬量信號傳送給調功器；控制器將跟隨控溫點的跟隨系數傳輸給溫控模塊，在溫控模塊內部計算得出跟隨控溫點的電流控制量，然后將3個控溫點的電流控制量傳輸給調功器，調功器輸出3個控溫點的加熱電流給分區爐體。這樣可以保證 3 個控溫點的電流控制量能夠在調功器同步通過模擬量信號傳輸給分區爐體。控制原理圖如圖 9所示，工藝效果如表4所示。

由表4可以看出：方案3的整舟硅片片間的

圖9" 方案3的控制原理圖

Fig. 9" Diagram of control principle for scheme 3

方阻均勻性有顯著提升，所有位置均能滿足技術性指標的要求。

2.3" 方案對比和總結

通過對比3種溫度控制系統方案的工藝效果，方案1存在一定的設計缺陷，整舟硅片片間的方阻均勻性依然無法滿足技術性指標要求；方案2雖有成效，但整舟硅片片間方阻均勻性仍未全部滿足技術性指標要求；方案3對改善整舟硅片片間的方阻均勻性效果明顯，能較好的滿足技術性指標要求。通過分區爐體和有效的溫度控制系統方案的設計，可以很大程度改善爐體內的熱場。分區爐體采用水平插片方式和方案3時的熱場示意圖如圖10所示。

圖10nbsp; 分區爐體采用水平插片方式和方案3時的熱場示意圖

Fig. 10" Schematic diagram of thermal field when using horizontal insertion method and scheme 3 for divisional furnace

3" 結論

本文對硼擴散設備使用傳統爐體搭配水平插片方式和順氣流垂直插片方式的工藝效果進行了工藝實驗，然后針對水平插片方式在傳統爐體條件下硅片片間方阻均勻性差的情況，設計了分區爐體及3種溫度控制系統方案，在分別驗證3種方案的實際應用工藝效果后，對方案的可行性進行了總結。研究結果表明：分區爐體搭配水平插片方式時，采用方案3能夠有效改善硅片方阻均勻性，可以滿足技術性指標的要求。目前在實際生產制造中，該方案已得到規模化應用。

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RESEARCH AND IMPLEMENTATION OF TEMPERATURE CONTROL SYSTEM FOR BORON DIFFUSION EQUIPMENT

Peng Hao1，2，Huang Xinyan2，3，Wu Zhiming1，2，Zou Zhenfeng1

（1. Hunan Red Solar Photoelectricity Science and Technology Co.，Ltd，Changsha 410221，China；

2. The 48th Research Institute of CETC，Changsha 410009，China；

3. Central South University Sensing Technology Research，Changsha 410083，China）

Abstract：In recent years，with the continuous and rapid development of the PV industry，the n-type TOPCon solar cells technology route has been recognized by the market，and production capacity has rapidly expanded. Boron diffusion equipment，as one of the core process equipment for TOPCon solar cells，has received great attention from the market，the temperature control system plays a decisive role in the production process of boron diffusion equipment. This paper compares the square resistance uniformity of silicon wafers obtained by using horizontal and vertical insertion methods in the traditional furnace during the practical application of boron diffusion equipment. It is found that the horizontal insertion method has the problem of high square resistance of the middle layer silicon wafers within the boat，and the square resistance uniformity does not meet the technical requirements. A new type of divisional furnace has been designed，and three types of temperature control system schemes have been proposed. Through process verification，a scheme that meets the technical requirements has been obtained. The research results show that when the divisional furnace is combined with the horizontal insertion method，the temperature control system scheme 3 can meet the technical requirements.

Keywords：TOPCon solar cells；boron diffusion equipment；temperature control system；insertion method；divisional furnace