引言

太陽(yáng)能電池作為一種清潔能源越來(lái)越受到廣泛的關(guān)注。其光電轉(zhuǎn)換效率很大程度上取決于多晶硅的質(zhì)量，而多晶硅質(zhì)量又取決于硅錠定向凝固過(guò)程中溫度等工藝條件的控制。因此，對(duì)多晶硅凝固過(guò)程中溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬是確定和優(yōu)化工藝條件的高效、重要技術(shù)手段。

目前，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有一些學(xué)者在多晶硅凝固溫度場(chǎng)數(shù)值模擬方面進(jìn)行了研究，比如美國(guó)的馬里蘭大學(xué)對(duì)多晶硅定向凝固爐和熱交換爐的溫度場(chǎng)進(jìn)行了模擬比較分析。美國(guó)紐約州立大學(xué)的鄭麗麗博士對(duì)太陽(yáng)能多晶硅定向凝固爐進(jìn)行了計(jì)算模擬。中國(guó)有色金屬研究總院的劉秋娣等也對(duì)多晶硅錠凝固過(guò)程的影響因素進(jìn)行了分析及數(shù)值模擬。以往的研究通常假設(shè)了特定的邊界條件，并且往往缺少實(shí)際溫度的測(cè)量數(shù)據(jù)。因此，多晶硅鑄錠爐溫度場(chǎng)模擬過(guò)程中邊界條件的確定仍然是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。

本文提出一種基于PID控制原理對(duì)多晶硅鑄錠爐邊界條件進(jìn)行反算的方法，并根據(jù)反算得出的邊界條件對(duì)多晶硅定向凝固爐的溫度場(chǎng)進(jìn)行研究。

1多晶硅定向凝固工藝

圖1為多晶硅鑄錠爐加熱室結(jié)構(gòu)示意圖。加熱室是多晶硅鑄錠爐的心臟，其內(nèi)裝有石墨加熱器、坩堝、硅料和絕熱罩等。圖2表示鑄錠爐加熱工藝。多晶硅鑄造主要工藝過(guò)程包括：加熱、熔化、結(jié)晶、退火、冷卻5個(gè)階段。將裝有硅料的石英坩堝放在石墨冷卻板上，關(guān)閉爐膛后抽真空。加熱待硅料完全熔化后，通過(guò)冷卻板將硅料結(jié)晶時(shí)釋放的熱量輻射到下?tīng)t腔內(nèi)壁上，使硅料中形成一個(gè)豎直溫度梯度。這個(gè)溫度梯度使坩堝內(nèi)的硅液從底部開(kāi)始凝固，向頂部生長(zhǎng)。在加熱與退火后續(xù)階段，系統(tǒng)采用預(yù)先設(shè)置的功率控制；在其他階段，系統(tǒng)采用預(yù)先設(shè)置的溫度控制。功率控制時(shí)，系統(tǒng)調(diào)節(jié)的控制參數(shù)為占空比；溫度控制時(shí)，采用靠近加熱器的熱電偶監(jiān)測(cè)溫度