多晶硅鑄造過程溫度場模擬仿真

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(duì)多晶硅凝固過程中溫度場進(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(jìn)行了研究，比如美國的馬里蘭大學(xué)對(duì)多晶硅定向凝固爐和熱交換爐的溫度場進(jìn)行了模擬比較分析。美國紐約州立大學(xué)的鄭麗麗博士對(duì)太陽能多晶硅定向凝固爐進(jìn)行了計(jì)算模擬。中國有色金屬研究總院的劉秋娣等也對(duì)多晶硅錠凝固過程的影響因素進(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(gè)關(guān)鍵問題。

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，通過冷卻板將硅料結(jié)晶時(shí)釋放的熱量輻射到下爐腔內(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(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)測溫度。

2.1幾何模型

本文采用Gambit建立多晶硅鑄錠爐幾何模型并生成網(wǎng)格（圖3）。

2.2模型假設(shè)

　　a)絕熱罩溫度恒定

　　b)各固體元件交界界面上無接觸熱阻

　　c)忽略爐內(nèi)氣體對(duì)流

2.3控制方程

根據(jù)多晶硅鑄錠爐的傳熱方式，本文采用FLUENT中的P-1和Rosseland輻射傳熱模型模擬鑄錠爐內(nèi)的傳熱。相鄰物體之間的導(dǎo)熱采用Fourier導(dǎo)熱定律，非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱的控制方程：

式中r表示位置，s表示方向。

邊界條件：多晶硅鑄錠爐絕熱罩四壁溫度恒為300K；加熱器熱流密度通過兩個(gè)監(jiān)測點(diǎn)A和B的實(shí)測溫度（TC1、TC2）為目標(biāo)溫度進(jìn)行修正。各固體元件初始溫度為300K。

2.4加熱器熱流密度PID確定方法

由于加熱器的有效功率未知，因此加熱器熱流密度很難直接確定。本文以多晶硅鑄錠爐加熱室內(nèi)兩個(gè)監(jiān)測點(diǎn)A和B的實(shí)測溫度（TC1、TC2）為目標(biāo)溫度，利用PID控制原理，通過以上傳熱模型反算出不同時(shí)間加熱器的熱流密度。如圖3所示，監(jiān)測點(diǎn)A靠近加熱器，監(jiān)測點(diǎn)B靠近冷卻板。由于A、B距離較遠(yuǎn)，并具有特征性，因此如果兩監(jiān)測點(diǎn)的計(jì)算溫度與實(shí)測溫度一致，則可說明所得出的加熱器熱流密度及整個(gè)鑄錠爐內(nèi)的溫度場準(zhǔn)確。

本文采用的PID控制系統(tǒng)原理如圖4所示，系統(tǒng)由模擬控制器和被控對(duì)象組成。

式中：Δu(k)為第n次計(jì)算輸出的加熱器熱流密度的變化量；e(k)、e(k-1)、e(k-2)分別為第k、k-1、k-2次輸入的目標(biāo)函數(shù)，即監(jiān)測點(diǎn)控制溫度；q0、q1、q2分別為相應(yīng)系數(shù)。

3模擬結(jié)果與討論

3.1PID方法反算加熱器熱流密度

圖6為監(jiān)測點(diǎn)A、B溫度TC1和TC2隨時(shí)間變化與該點(diǎn)模擬溫度曲線的對(duì)比，圖中real表示實(shí)際溫度曲線，simulated表示仿真溫度曲線。

由圖6可見，TC1和TC2溫度模擬結(jié)果與實(shí)測結(jié)果基本一致，在熔化和結(jié)晶階段的模擬數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)吻合度較好，溫度值和曲線重要拐點(diǎn)也模擬得較為準(zhǔn)確。因此，本文采用的增量式PID可以實(shí)現(xiàn)加熱器熱流密度的反算，并且模擬精度較高，可以保證溫度場計(jì)算的準(zhǔn)確性。