半熔高效多晶硅铸锭中籽晶厚度自动测量系统的研究

郭 丽

（太原理工大学机械工程学院，山西 太原 030024）

引言

能源是人类生存和发展的重要物质基础，是人类从事各种经济活动的源动力。21世纪人类面临能源短缺的危机，世界上大部分国家能源供应不足，明显影响经济发展和生活的改善，世界各国都在努力开发新能源。在各种新能源中，太阳能是最有发展潜力的可再生能源，太阳能的利用是世界各国关注的热点。

由于工业和交通的快速发展，煤、石油的大量燃烧，每年有数十亿吨的有害物质排向天空，使大气遭遇到严重污染；石化能源的利用产生大量的有害气体导致温室效应，引起全球气候变化，严重污染了人类生存的环境。我国政府制定了《可再生能源法》，大力提倡开发利用太阳能等清洁能源，在太阳能的利用中，用太阳能电池进行光伏发电是当前最有发展前景的方法。多晶硅铸锭炉、破锭机和切片机是光伏产业上游的关键设备，要想真正掌握硅片设备的制造技术，需要对所有节点的关键技术实施突破并实现产业化，并对成套设备实施联调联试，只有掌握成套设备的制造技术，我国光伏产业才能真正做到自主发展。

光伏产业是新能源领域最具意义的国际化竞争产业，晶体硅占90%以上的光伏市场，多晶硅铸锭环节的工艺过程控制直接决定了晶体的重要电学参数，直接影响到后续电池转换效率的高低。目前多晶硅光伏产品从关键设备到关键技术均由我国掌握。多晶硅铸锭工艺技术最初是国外掌握的传统的全熔工艺，如美国GT-SOLAR公司和法国ECM公司；后续由国内外同时研发准单晶技术，如德国的ALD公司和国内的晶澳光伏、凤凰光伏等企业；之后只有我国进行研发的全熔高效工艺，如英利光伏、保利协鑫能源控股有限公司、天合光能、山西中电科新能源技术有限公司、湖南红太阳光电有限公司等企业，此时国外相关厂家技术已明显落后；直至目前的半熔高效多晶铸锭工艺在国内已成主流。每一次铸锭工艺的提升，都会使硅片的电学性能更加稳定，晶体结构更加理想，位错进一步减少。2017年我国硅片产量达到87 GW，同比增长34.3%，全球占比超过50%。在国家领跑者计划和政策的带动下,同等功率的高效（18.8%转换效率）多晶硅片价格要比普通硅片高10%，但是两者的区别仅是工艺的不同，成本几乎一样。

1 研究目的

该系统是在目前光伏关键工艺设备多晶硅铸锭炉上进行的功能升级。DDL型多晶硅铸锭炉是晶硅光伏产业中的关键设备，该设备具有自动化程度高、铸锭工艺过程稳定等特点。

半熔高效过程中关键控制点就是底部籽晶高度的控制，籽晶保留过高会影响得料率，籽晶保留过低可能全部变为全熔，没有半熔的效果。因此目前所有厂家均采取人工测量，采用高纯石英棒缓慢插入高温液态硅中，等玻璃棒达到固态硅时通过工人的手感来判断再标识位置，通过直尺的测量再计算籽晶的高度。石英玻璃的膨胀系数低，可以承受很大的热冲击，在1 200～1 500℃时才会变软，该操作对人员要求高，人员工作量大，误差大，而且所有的高纯石英棒在高温下容易变形，影响原点的判断，一般最多使用两次，相对测量的费用也偏高。因此研究目的就是要解决籽晶测量难度大、测量准确性差、测量成本高的问题[1]。

2 机构原理

本装置可实现半熔多晶硅铸锭时籽晶厚度的自动测量。由伺服电机控制，氮化硅棒从原点开始降落，当测量的氮化硅棒到达固液面时，张力传感器的拉力突然降低，控制器即可判断此位置为固液面，通过伺服电机旋转的圈数自动换算下降高度，计算显示出目前的固液位置，操作简单方便，而且氮化硅棒只需定期清理上面的硅残留，可以反复使用[2]。

考虑到目前主流的多晶硅铸锭炉石英棒测量接口的安装问题，设计时有效利用目前的观察孔和石英棒测量口的连接位置和尺寸，采取封闭的腔体结构，通过磁流体密封轴承实现真空度的要求，设计独立的电器控制系统，采取远距离操作控制方式来完成测量的自动进行和籽晶高度的及时数字显示。

3 机构设置

选取氮化硅材质的测晶棒，其高温稳定性好且不与液态硅发生反应，伺服电机驱动其在自重作用下匀速下降，可下沉到液态硅中，当到达固液界面时，碳绳所受拉力会瞬间接近零，此时张力传感器将会检查到张力突然减小，即可认为此位置已经到了固液界面，通过伺服电机的旋转圈数和碳绳的比例关系自动换算距离原点的位置，进而可以确定剩余籽晶的高度。然后自动将测温棒提起，当测温棒到达顶部的光学位置传感器时，检查到原点位置，电机停止运转[3]。装置包括：碳绳收放轮、伺服电机、碳绳，碳绳经过导向轮下端挂有氮化硅测晶棒，氮化硅测晶棒初始位置经过光学位置传感器确定，伺服电机顺时针旋转时，氮化硅测晶棒在重力作用下下降，进入炉体顶盖，一直垂直降到炉内坩埚中液态硅中，由于氮化硅测晶棒的密度大于液态硅的密度，其将继续下降，此时张力传感器测量到的张力会逐渐减小，当氮化硅测晶棒到达固态硅的界面时碳绳所受到的拉力会接近为零，此时张力传感器的张力会接近于零，伺服电机自动记录此时为固液分界线，通过计算自动显示固态硅的剩余高度。同时在整个检测过程中人员也可以从观察窗对测量过程进行观察以确保检测数据的准确性。为了防止碳绳断裂，氮化硅测晶棒掉落砸破坩埚造成溢流的危险，氮化硅测晶棒下端采取了大圆弧设计，保证氮化硅测晶棒在自由下落进入液态硅时不会发生侧移、倾倒，减少重量直接冲击坩埚底部的危险。结构组成如图1所示，氮化硅测晶棒如图2所示。

4 关键技术

图1 结构组成图

图2 氮化硅测晶棒

研究中需要解决的关键技术问题：真空腔体的密封和传动问题；测量材料和柔性提升材料的选择问题；高温下柔性材料的温度变化量基础数据的采集；多次测量时程序对柔性材料变化的修正参数的设定。

5 结语

本系统是目前在光伏关键工艺设备多晶硅铸锭炉上进行的功能升级。实现了多晶硅铸锭炉产品的升级，是提高光伏工艺设备和高效工艺的全面升级。

[1]成大先.机械设计手册[M].北京：化学工业出版社，2002.

[2]唐保宁,高学满.机械设计与制造简明手册[M].上海：同济大学出版社，1993.

[3]张景钦，薛大同，王敬宜，编著.真空材料[M].北京：化学工业出版社，2016.