引言

太陽能電池作為一種清潔能源越來越受到廣泛的關(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程中溫度等工藝條件的控制。因此，對多晶硅凝固過程中溫度場進行模擬是確定和優(yōu)化工藝條件的高效、重要技術(shù)手段。

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

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

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程包括：加熱、熔化、結(jié)晶、退火、冷卻5個階段。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，通過冷卻板將硅料結(jié)晶時釋放的熱量輻射到下爐腔內(nèi)壁上，使硅料中形成一個豎直溫度梯度。這個溫度梯度使坩堝內(nèi)的硅液從底部開始凝固，向頂部生長。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，系統(tǒng)調(diào)節(jié)的控制參數(shù)為占空比；溫度控制時，采用靠近加熱器的熱電偶監(jiān)測溫度