CN109355709B - 一种光伏电池制造用扩散炉进气装置及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光伏制造技术领域，且公开了一种光伏电池制造用扩散炉进气装置及其控制方法，包括主通管、流量控制阀Ⅰ和恒温槽，主通管的进气端设有流量控制阀Ⅰ，恒温槽的顶端固定套接有载流管和进气管，载流管位于恒温槽的外部设有流量控制阀Ⅱ。本发明通过称重传感器对恒温槽称重以检测恒温槽的重量变化率，即小N2携带的POCl3的重量变化率，由此，PLC控制器与气动式调节阀的配合工作，根据称重传感器的反馈数据控制经由进氧管通入主通管的O2含量，保证O2依过程反应所需比例通入，实现O2通入量与恒温槽内POCl3的单位时间供给量能够依过程反应所需比例达到实时动态平衡，提高资源有效利用率，降低因O2过量通入给温控系统带来的额外负载强度。
Description
技术领域
本发明涉及光伏制造技术领域，具体为一种光伏电池制造用扩散炉进气装置及其控制方法。
背景技术
晶体硅太阳电池是光伏发电产业中的核心装备，而P-N结则是晶体硅太阳电池的核心，同时也是电池光电转换效率的关键因素之一。现有对于P-N结的制作包括合金法、扩散法和外延生长法等，国内比较通用的工业生产P-N结多采用扩散法，在扩散炉中对晶圆加工。
工业生产P-N结，多采用POCl3高温分解扩散法，在保持扩散炉内正压前提下，将扩散炉内温度保持在800～1000℃的恒温区，然后向炉内依次通POCl3和O2，在高温下，掺杂气体与晶圆片上的Si发生相应的化学反应，生产P原子，P原子向Si原子内扩散，从而晶圆片表面形成P-N结。在整个扩散工艺中，温度控制是非常重要的一个环节，反应温度的稳定与否直接影响气体扩散反应的均匀性，目前出现了主要以PLC为控制核心的控制系统。
但是，现有扩散炉对于工艺掺杂气体的通入都是采用大N2、O2与小N2带POCl3混合后，从排入管送入扩散炉内，O2需要满足过程反应通入过量的要求，以使POCl3高温分解彻底，而过量的O2进入高温状态下的扩散炉内，对扩散炉内的温度恒定造成不稳定影响，需要启动恒温控制系统，过量O2中的多余气体则会给恒温控制系统增加负载强度，造成工业能耗加重，若采用设定量的O2通入，由于无法明确小N2携带POCl3的单位时间内的含量，会造成O2不足量，导致不完全分解反应产生PCl5，造成资源浪费的同时还会造成掺杂扩散不均匀，为此提出一种扩散炉进气装置，旨在解决上述问题。
发明内容
针对背景技术中提出的现有扩散炉进气机构在使用过程中存在的不足，本发明提供了一种光伏电池制造用扩散炉进气装置及其控制方法，具备供氧量与POCl3进给量实现动态平衡、节省能耗的优点，解决了上述背景技术中提出的因供氧过量导致温控系统的负载增加，无效能耗增加的问题。
本发明提供如下技术方案：一种光伏电池制造用扩散炉进气装置，包括主通管、流量控制阀Ⅰ和恒温槽，所述主通管的进气端设有流量控制阀Ⅰ，所述恒温槽的顶端固定套接有载流管和进气管，所述载流管位于恒温槽的外部设有流量控制阀Ⅱ，所述恒温槽的一端伸入恒温槽内腔的底部，所述进气管的底端位于恒温槽内腔的顶端，所述进气管的另一端伸入主通管的内部，所述主通管的内部还连通有进氧管，所述进氧管的另一端伸出主通管的外部，所述进氧管伸出主通管外部的一端固定安装有流量计，所述流量计的进气口设有缓释管，所述缓释管的另一端固定连接有气动式调节阀，所述气动式调节阀的另一端连通O2供给源，所述恒温槽的底端固定安装有称重传感器，所述主通管的另一端与扩散炉进气口连接段之间设有一段螺旋段，所述称重传感器的信号输出端与A/D转换器的信号输入端电连接，所述A/D转换器的信号输出端与PLC控制器输入单元的输入端电连接，所述PLC控制器输入单元的输出端电连接有PLC控制器处理单元，所述PLC控制器处理单元的输出端电连接有PLC控制器输出单元，所述PLC控制器输出单元的信号输出端与A/D转换器的信号输入端电连接，所述A/D转换器的信号输出端与气动式调节阀的信号输入端电连接。
优选的，所述进气管和进氧管伸入主通管内的一端均设坡口形状，且坡口朝向与主通管内气体流动方向相同。
优选的，所述缓释管为细长管，其管内径为气动式调节阀出口处内径的三分之一且与进氧管的内径相同，所述流量计靠近主通管处安装。
优选的，所述PLC控制器处理单元的计算方法采用下式
V＝M1×η×λ×k
式中，V表示过程反应中单位时间内O2所需体积，M1表示单位时间内POCl3随小N2向主通管内进入的质量，η表示POCl3与O2参与过程反应的质量比，η＝96/626，λ表示POCl3与O2参与过程反应的摩尔体积比，λ＝7/10，k表示考虑动态平衡下的放大系数，k取1.2～1.5。
一种光伏电池制造用扩散炉进气装置的控制方法，包含以下控制步骤：
S1、根据流量控制阀Ⅱ示数调定载流管通入恒温槽的恒定流速；
S2、载流管将恒温槽内的POCl3液体通过进气管带入主通管中，称重传感器的重量测量值变化，将该重量值传给A/D转换器；
S3、由A/D转换器将重量值电信号转换为数字信号并传给PLC控制器输入单元；
S4、由PLC控制器输入单元将先后两个数据同时传入PLC控制器处理单元进行单位时间的质量变化率计算得出M1，然后再计算出过程反应中单位时间内O2所需体积V；
S5、由PLC控制器输出单元将V传输给A/D转换器，转换为气体流量电信号，控制气动式调节阀作相应动作，流量计显示的数值随之做出相应变化。
优选的，所述步骤S3中，所述称重传感器的测量值每隔一秒检测并传输一次。
优选的，所述步骤S5中，PLC控制器输出单元输出的单位时间内体积增量值与流量计显示的数值相近。
本发明具备以下有益效果：
1、本发明通过称重传感器对恒温槽称重以检测恒温槽的重量变化率，即小N2携带的POCl3的重量变化率，由此，PLC控制器与气动式调节阀的配合工作，根据称重传感器的反馈数据控制经由进氧管通入主通管的O2含量，保证O2依过程反应所需比例通入，实现O2通入量与恒温槽内POCl3的单位时间供给量能够依过程反应所需比例达到实时动态平衡，提高资源有效利用率，降低因O2过量通入给温控系统带来的额外负载强度。
2、本发明通过将进气管和进氧管分别以坡口形式插入主通管内，利用理想气体下的伯努利原理，使得主通管内相对快速流动的大N2在进气管与进氧管出口处形成负压腔，将进气管与进氧管内的气体吸入主通管内同步流动，相比较传统的双通或三通管汇流法，此法能够有效避免三方气流汇聚冲击时的紊流现象，保证混合气体的流动稳定性，从而保证汇流气体进入炉内的流速、流量均能够达到稳定。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明控制系统框图。
图中：1、主通管；2、流量控制阀Ⅰ；3、恒温槽；4、载流管；5、流量控制阀Ⅱ；6、进气管；7、进氧管；8、流量计；9、气动式调节阀；10、缓释管；11、称重传感器；12、螺旋段；13、A/D转换器；1401、PLC控制器输入单元；1402、PLC控制器处理单元；1403、PLC控制器输出单元。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-2，一种光伏电池制造用扩散炉进气装置，包括主通管1、流量控制阀Ⅰ2和恒温槽3，主通管1的进气端设有流量控制阀Ⅰ2，恒温槽3的顶端固定套接有载流管4和进气管6，载流管4位于恒温槽3的外部设有流量控制阀Ⅱ5，恒温槽3的一端伸入恒温槽3内腔的底部，进气管6的底端位于恒温槽3内腔的顶端，进气管6的另一端伸入主通管1的内部，主通管1的内部还连通有进氧管7，进氧管7的另一端伸出主通管1的外部，进氧管7伸出主通管1外部的一端固定安装有流量计8，流量计8的进气口设有缓释管10，缓释管10的另一端固定连接有气动式调节阀9，气动式调节阀9的另一端连通O2供给源，恒温槽3的底端固定安装有称重传感器11，主通管1的另一端与扩散炉进气口连接段之间设有一段螺旋段12，其中，螺旋段12的作用在于将主通管1处汇聚的三种气体源进行导流混合，并最终以沿着主通管1方向的稳流进入扩散炉中，保证进入扩散炉中的气体具备稳定的扩散能力以及反应气体均匀分布，称重传感器11的信号输出端与A/D转换器13的信号输入端电连接，A/D转换器13的信号输出端与PLC控制器输入单元1401的输入端电连接，PLC控制器输入单元1401的输出端电连接有PLC控制器处理单元1402，PLC控制器处理单元1402的输出端电连接有PLC控制器输出单元1403，PLC控制器输出单元1403的信号输出端与A/D转换器13的信号输入端电连接，A/D转换器13的信号输出端与气动式调节阀9的信号输入端电连接。
其中，进气管6和进氧管7伸入主通管1内的一端均设坡口形状，且坡口朝向与主通管1内气体流动方向相同，利用坡口处气体流速差产生的负压腔环境，使得主通管1内流体对进气管6和进氧管7内气体产生倒吸现象，使得进气管6和进氧管7内气体在倒吸被迫进入主通管1后随主通管1内流体同步流动，避免进气管6和进氧管7内气体因与主通管1内流体相对运动而产生紊流现象。
其中，缓释管10为细长管，其管内径为气动式调节阀9出口处内径的三分之一且与进氧管7的内径相同，流量计8靠近主通管1处安装，缓释管10为细长管的设定可使得气动式调节阀9动作后，气体流量变化从缓释管10到进氧管7有递变的时间，可有效防止气动式调节阀9在动作后，造成进氧管7内流体流速骤变，由此影响进氧管7进入主通管1内的气体流速。
其中，PLC控制器处理单元1402的计算方法采用下式
V＝M1×η×λ×k
式中，V表示过程反应中单位时间内O2所需体积，M1表示单位时间内POCl3随小N2向主通管1内进入的质量，η表示POCl3与O2参与过程反应的质量比，η＝96/626，λ表示POCl3与O2参与过程反应的摩尔体积比，λ＝7/10，k表示考虑动态平衡下的放大系数，k取1.2～1.5。
其中，扩散炉内的反应化学方程式如下：
2P2O5+5Si＝5SiO2+4P↓
4POCl3+3O2＝2P2O5+6Cl2↑
上述两式合并后等效为：
4POCl3+3O2+5Si2→5SiO2+4P+6Cl2↑，
根据质量守恒定律，
mb＝ma×96/626
式中ma和mb分别表示参与过程反应POCl3和O2的质量，再利用O2物质的量等效，由
知，
也即，η＝96/626，λ＝7/10，M1＝ma，另外考虑，称重传感器11称重的变化量缺少小N2填入恒温槽3内的分子质量，故而将由称重传感器11称重变化量换算得到的O2体积V作放大系数k处理，也即考虑k取1.2～1.5。
一种光伏电池制造用扩散炉进气装置的控制方法，包含以下控制步骤：
S1、根据流量控制阀Ⅱ5示数调定载流管4通入恒温槽3的恒定流速；
S2、载流管4将恒温槽3内的POCl3液体通过进气管6带入主通管1中，称重传感器11的重量测量值变化，将该重量值传给A/D转换器13；
S3、由A/D转换器13将重量值电信号转换为数字信号并传给PLC控制器输入单元1401；
S4、由PLC控制器输入单元1401将先后两个数据同时传入PLC控制器处理单元1402进行单位时间的质量变化率计算得出M1，然后再计算出过程反应中单位时间内O2所需体积V；
S5、由PLC控制器输出单元1403将V传输给A/D转换器13，转换为气体流量电信号，控制气动式调节阀9作相应动作，流量计8显示的数值随之做出相应变化。
其中，步骤S3中，称重传感器11的测量值每隔一秒检测并传输一次，由每间隔一秒读取的称重变化值作为恒温槽3内POCl3变化的质量，由此，PLC控制器实时调整进氧管7的进气流量，以实现动态平衡。
其中，步骤S5中，PLC控制器输出单元1403输出的单位时间内体积增量值与流量计8显示的数值相近，流量计8的作用是便于工人实时观察实际由进氧管7传入主通管1的流量与PLC控制器输出设定流量是否存在差异，从而确定是否需要停机检查并调试设备，又因PLC控制器已经做过放大处理，故而此处只要求流量计8的示数稳定在PLC控制器输出单元1403输出数值附近浮动即可。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (6)
1.一种光伏电池制造用扩散炉进气装置，包括主通管(1)、流量控制阀Ⅰ(2)和恒温槽(3)，所述主通管(1)的进气端设有流量控制阀Ⅰ(2)，所述恒温槽(3)的顶端固定套接有载流管(4)和进气管(6)，所述载流管(4)位于恒温槽(3)的外部设有流量控制阀Ⅱ(5)，所述载流管(4)的一端伸入恒温槽(3)内腔的底部，所述进气管(6)的底端位于恒温槽(3)内腔的顶端，所述进气管(6)的另一端伸入主通管(1)的内部，所述主通管(1)的内部还连通有进氧管(7)，所述进氧管(7)的另一端伸出主通管(1)的外部，其特征在于：所述进氧管(7)伸出主通管(1)外部的一端固定安装有流量计(8)，所述流量计(8)的进气口设有缓释管(10)，所述缓释管(10)的另一端固定连接有气动式调节阀(9)，所述气动式调节阀(9)的另一端连通O2供给源，所述恒温槽(3)的底端固定安装有称重传感器(11)，所述主通管(1)的另一端与扩散炉进气口连接段之间设有一段螺旋段(12)，所述称重传感器(11)的信号输出端与A/D转换器(13)的信号输入端电连接，所述A/D转换器(13)的信号输出端与PLC控制器输入单元(1401)的输入端电连接，所述PLC控制器输入单元(1401)的输出端电连接有PLC控制器处理单元(1402)，所述PLC控制器处理单元(1402)的输出端电连接有PLC控制器输出单元(1403)，所述PLC控制器输出单元(1403)的信号输出端与A/D转换器(13)的信号输入端电连接，所述A/D转换器(13)的信号输出端与气动式调节阀(9)的信号输入端电连接。
2.根据权利要求1所述的一种光伏电池制造用扩散炉进气装置，其特征在于：所述进气管(6)和进氧管(7)伸入主通管(1)内的一端均设坡口形状，且坡口朝向与主通管(1)内气体流动方向相同。
3.根据权利要求1所述的一种光伏电池制造用扩散炉进气装置，其特征在于：所述缓释管(10)为细长管，其管内径为气动式调节阀(9)出口处内径的三分之一且与进氧管(7)的内径相同，所述流量计(8)靠近主通管(1)处安装。
4.一种如权利要求1-3之一所述的光伏电池制造用扩散炉进气装置的控制方法，其特征在于，包含以下控制步骤： S1、根据流量控制阀Ⅱ(5)示数调定载流管(4)通入恒温槽(3)的恒定流速； S2、载流管(4)将恒温槽(3)内的POCl3液体通过进气管(6)带入主通管(1)中，称重传感器(11)的重量测量值变化，将该重量值传给A/D转换器(13)； S3、由A/D转换器(13)将重量值电信号转换为数字信号并传给PLC控制器输入单元(1401)； S4、由PLC控制器输入单元(1401)将先后两个数据同时传入PLC控制器处理单元(1402)进行单位时间的质量变化率计算得出M1，然后再计算出过程反应中单位时间内O2所需体积V； S5、由PLC控制器输出单元(1403)将V传输给A/D转换器(13)，转换为气体流量电信号，控制气动式调节阀(9)作相应动作，流量计(8)显示的数值随之做出相应变化。
5.根据权利要求4所述的一种光伏电池制造用扩散炉进气装置的控制方法，其特征在于：所述步骤S3中，所述称重传感器(11)的测量值每隔一秒检测并传输一次。
6.根据权利要求4所述的一种光伏电池制造用扩散炉进气装置的控制方法，其特征在于：所述步骤S5中，PLC控制器输出单元(1403)输出的单位时间内体积增量值与流量计(8)显示的数值相近。
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