微波等離子體平板式PECVD設(shè)備控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

吳易龍，陳臻陽，李若儒

(湖南紅太陽光電科技有限公司，湖南 長沙410111)

鈍化發(fā)射極及背接觸太陽能電池（PERC電池）是目前技術(shù)成熟、應(yīng)用廣泛的高效太陽能電池，其產(chǎn)能逐年擴(kuò)大[1]。與常規(guī)鋁背場(chǎng)電池相比，PERC電池的工藝流程中增加了全覆蓋的背面鈍化膜，通過PECVD的方式，在背面沉積一層氧化鋁鈍化層，再覆蓋一層氮化硅保護(hù)膜，以降低表面載流子的復(fù)合，減少缺陷帶來的電池背面光電損失，從而提高電池的轉(zhuǎn)換效率[2]。

通過PECVD的方式，能夠在同一工序中完成氧化鋁和氮化硅薄膜的制備，且沉積速率高，成本和單位時(shí)間產(chǎn)能具有優(yōu)勢(shì)，因此PECVD法的背鈍化設(shè)備成為市場(chǎng)主流，是PERC電池工藝中的核心設(shè)備。本文研究了平板式PECVD設(shè)備微波等離子體的控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

平板式PECVD設(shè)備采用工控機(jī)進(jìn)行人機(jī)交互加上PLC控制器主控方式實(shí)現(xiàn)，整個(gè)控制系統(tǒng)主要包括微波控制系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、壓控系統(tǒng)、氣路系統(tǒng)以及故障報(bào)警系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 平板式PECVD電控系統(tǒng)框架

1.1 微波控制系統(tǒng)

作為微波等離子體平板式PECVD設(shè)備的核心部件，微波等離子體系統(tǒng)主要由微波電源、模式轉(zhuǎn)換天線、矩形波導(dǎo)、石英管、內(nèi)傳導(dǎo)天線及短路調(diào)諧器構(gòu)成，控制系統(tǒng)通過CANopen總線與微波電源進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊，針對(duì)微波電源反饋的不同狀態(tài)，發(fā)送不同的控制指令，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)微波等離子體系統(tǒng)的啟動(dòng)、停止以及報(bào)警復(fù)位的自動(dòng)控制。微波控制流程如圖2所示。

圖2 微波控制系統(tǒng)流程圖

微波控制流程實(shí)現(xiàn)的VB 6.0語言的部分代碼如下：

1.2 溫度控制系統(tǒng)

平板式PECVD設(shè)備的加熱方式有2種：紅外燈管加熱和金屬加熱板加熱。紅外燈管加熱方式升溫速度快，但是穩(wěn)定性差；金屬加熱板加熱方式升溫速度慢，但是穩(wěn)定性好。雖然兩種加熱方式分布在不同的腔體，但是在整個(gè)自動(dòng)工藝的過程中還是會(huì)因?yàn)榍惑w的連通而相互影響，再加上載板會(huì)經(jīng)過所有腔體，而且腔內(nèi)的壓力、氣流都是隨時(shí)變化的，所以平板式PECVD設(shè)備的溫度場(chǎng)是一個(gè)非常復(fù)雜的控制對(duì)象。

在正常工藝過程中，每個(gè)腔體、每個(gè)加熱區(qū)域所需要的加熱溫度不同，因此控制系統(tǒng)需要對(duì)每個(gè)加熱通道進(jìn)行獨(dú)立控制。溫控系統(tǒng)采用PLC的DO作為控制輸出，熱偶的AI信號(hào)作為反饋輸入的PID控制方式。

測(cè)溫?zé)犭娕紝囟刃盘?hào)轉(zhuǎn)換為模擬量，通過模擬量輸入模塊傳送至PLC控制器，PLC控制器根據(jù)設(shè)定的加熱溫度，經(jīng)過內(nèi)部溫度控制算法計(jì)算后，通過DO輸出周期為1 s、脈沖寬度為0～1 s的矩形方波給可控硅，通過控制加熱器接通的頻率，完成溫度的自動(dòng)控制?？刂七壿嬋鐖D3所示。

圖3 溫度控制系統(tǒng)邏輯圖

1.3 自動(dòng)工藝流程控制系統(tǒng)

平板式PECVD設(shè)備由多個(gè)真空腔體組成，為了實(shí)現(xiàn)模塊化編程，在軟件設(shè)計(jì)時(shí)，把每個(gè)腔體作為一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的控制模塊，能夠獨(dú)立實(shí)現(xiàn)該腔體的所有功能，只和與其相鄰的兩個(gè)腔體進(jìn)行簡單的“請(qǐng)求”、“準(zhǔn)備好”及“報(bào)警”信號(hào)的交互，以實(shí)現(xiàn)載板在工藝過程中的正常傳輸。

在自動(dòng)工藝的過程中，當(dāng)某個(gè)腔體處于空閑狀態(tài)時(shí)，該腔體的控制模塊會(huì)向前一個(gè)腔體的控制模塊發(fā)送“請(qǐng)求”信號(hào)，當(dāng)載板進(jìn)入該腔體并完成程序設(shè)計(jì)的所有流程后，就需要傳送至下一個(gè)腔體，此時(shí)該腔體的控制模塊會(huì)向后一個(gè)腔體的控制模塊發(fā)送“準(zhǔn)備好”信號(hào)，若此時(shí)后一個(gè)腔體也處于“請(qǐng)求”的狀態(tài)，則載板會(huì)從該腔體自動(dòng)傳送至后一個(gè)腔體。

2 結(jié)束語

本文研究了一種微波等離子體平板式PECVD設(shè)備的控制系統(tǒng)，主要討論了微波控制系統(tǒng)，并給出了實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵代碼，另外還討論了溫度控制系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)了系統(tǒng)自動(dòng)工藝流程。該控制系統(tǒng)已經(jīng)在數(shù)臺(tái)平板式PECVD設(shè)備上應(yīng)用驗(yàn)證，均能穩(wěn)定可靠地運(yùn)行。