晶体硅太阳能电池生产线外围设施建设经验漫谈

陈特超，谢建国，李 克，毛朝斌

(中国电子科技集团公司第四十八研究所，湖南长沙410111)

太阳能电池属绿色能源产品，太阳能作为可 再生资源，它是解决当前全球能源枯竭和环境污染问题的重要途径之一[1]。太阳能电池具有许多其他发电方式所不具备的优点：不消耗燃料、不受地域限制、规模可灵活组合、无污染、无噪音、安全可靠、维护简单、建设周期短、最具有大规模应用可能性[2]。近几年来，各国也都在不断加大太阳能应用的投资力度，各大太阳能电池生产公司也都争先恐后地开发太阳能电池工艺新技术，旨在提高电池转换效率，争抢太阳能发电市场。

在太阳能电池生产线中，工艺设备固然重要，它直接影响转换效率，但外围设施的配置也不可忽视。生产线上所有工艺设备正常运行时都需要外部提供一定的条件，这些条件的制造单元统称为外围设施，包括设备、管道等。它的好坏直接影响整线生产的正常、稳定运行，甚至影响电池转换效率。如扩散炉中尾气排放是靠外围设备的有机排风抽出的，如果管路走向不合理，抽风机排量选择不够大，施工、安装不到位，将会造成抽速的波动，直接影响扩散后硅片的方块电阻值。因此，外围设施设计、施工质量至关重要。

1 太阳能电池线工艺流程及对外围设施的需求

目前晶体硅太阳电池生产工艺流程如图1所示。

图1 晶体硅太阳电池生产工艺流程

根据工艺要求，以上的每道工序，所需外围设施配套供应条件见表1。

表1 晶体硅太阳能电池生产车间外围设施供应条件需求表

2 厂房布置图

现在标准厂房小产能的太阳能电池生产线布置方案最多的是直线式流片方式，如图2 所示。

3 建设经验

晶体硅太阳电池生产线一般以产能25 MW/年为一条线，为节约占地面积和增加设备利用率，一般每个公司投资厂房都会按50 MW/年建设。这样，厂房占地约2 400 m2（包括办公区，但废气、废水处理系统及气罐不在此面积内）。按照三班制生产来计算，操作人员应有120 人左右，即每班30 人员，因此更衣室至少需要40 m2，如果男女更衣室独立设置或者设有贵宾更衣室，则需要更大的面积；车间附近的卫生间，应至少能同时供10 人使用。

图2 太阳能电池生产线布置

外围动力包括空调、纯水、压空、真空、工艺冷却水、变配电、通讯等。其中占地面积最大的是空调系统、纯水设备及管道，如果在这几个系统的方案上多做优化，可节省很大的占地面积。厂房和动力站房有钢筋混凝土框架结构的多层建筑，也有钢结构加金属复合板的单层建筑，但对厂房的层高有要求，一般生产车间净化间层高是3 m，工艺管道布置在生产车间顶上，因管线众多，为使外围施工方便，生产车间层高应不少于7 m。

生产线上的工艺设备和外围设备设施用电功率总计在2 800 kW 左右，因此必须有可靠的电能供应。进线变压器需留有20%的余量。耗能最大的工艺设备是扩散炉和PECVD 设备（约300 kW/台），外围设备是空调机、工艺冷却水制冷机。

工艺纯水的用量在20 t/h 左右（单晶硅生产线），多晶硅生产线的用量要少一点，水质标准应达到中国电子级水的技术指标GB/T11446.1-1997中EW-1 级。一般要求18 MΩ·cm。

工艺冷却水用量也在15 t/h 左右，水中微粒直径不大于10 μm，冷水机供水出口温度宜在8～20 ℃，供水压力0.5 MPa 左右，应有可靠的供水温度与供水压力控制。建议水泵采用变频控制，管道材质宜采用刚性金属管道，最好采用不锈钢管道，但造价会高些。由于电池生产线是24 h 不停的生产，为保证不影响生产，增加可靠性，我们在整线设计时工艺冷却水都会采用双水泵供水，两台水泵交替工作，如果一台水泵出问题，可马上切换到另一台水泵使用，坏的泵维修时不影响生产线的生产。这里要特别注意，使用两台泵时，两台泵出口管汇合处的三通管管径要比单根管的大一些，即增加三通管内水的容量，这样切换泵时用水点压力波动不会太大。

压缩空气用量在400 m3/h 左右，如果空气品质要求较高，需要达到压缩空气质量等级的1 级甚至更高要求，建议使用无油空压机，但是初投资成本也会较高。经空压机出来的压缩空气需经干燥处理，一般采取冷干/ 吸附组合式干燥机。

N2和O2一般采用液体储罐供应的方式，这样使用成本低。N2用量较大，储罐容积一般用30 m3，O2用量很少，储罐5 m3足够，有的单位就用杜瓦瓶供氧。

SiH4、CF4、NH3等特殊气体考虑安全因素，必须单独设置一个特气间。因为N2、O2、CF4、SiH4及NH3气体所使用管道材质必须是内抛光不锈钢管，比较昂贵，所以设计气体站时应尽量靠近用气设备。但要特别注意，特气房的墙是采用防爆墙，其中的泄爆墙必须朝向远离设备方向，且泄爆墙外应无人经常走动。

空调系统的空气处理方式则视具体情况而定，最省钱的方式是采取组合式空气处理机组+送风口风箱的模式，这种方式在小的太阳能电池公司或刚涉足太阳能电池行业的公司中应用较普遍，他的不足之处是各房间内的温度不能独立调节。建议采用多台组合空调分工序共用的模式，这样虽然前期成本高一点，但使用时可根据情况关掉部分功能，如扩散间，其内部设备发热量比较大，房间温度较高，可不采用热空调。而且扩散区对洁净度要求较高，设计独立的空气处理系统对工艺影响小。

酸排气量不小于10 000 m3/h，一般采用湿式洗涤、中和等处理方式。有机排气量也不小于10 000 m3/h，一般采用干式吸附法处理。热排风量不小于13 000 m3/h，因为只是普通排气，可不经处理直接排放。但其抽风稳定性对工艺影响很大，所以要采用耐热风机，且设计时我们也是采用双机配置，一用一备，确保生产不停顿。相对而言，硅烷处理要谨慎，一旦泄漏就会起火。所以要特别注意，PECVD 的排气管道（真空泵至处理塔之间的管道）也要进行检漏，一般的建设单位会忽略此程序，因为此段管道内会有较多的未反应的SiH4 气体，且就在净化间顶上，一旦泄漏也可能会引起火灾。

工艺设备二次配管过程中，每台工艺设备都有不同的要求，应按照供货商和工艺工程师的要求来做。特别是废水、废气排放管道不能接错，否则可能产生交叉污染。

在外围设施施工完成、调试过程中，特别要注意，水、电、气在通入设备之前要做好全面的检查工作，包括密封性、绝缘性试验，确保无渗漏、无漏电。水、气在进入设备前须将设备上方的阀门关闭，对外围管道进行冲洗，务必保证管道内清洗、吹扫干净彻底，否则，设备一旦被污染，再次清洗不但代价昂贵，甚至会造成重大损失。

整线建设完成后，运行维护是关键。太阳能电池生产线外围设施是一个复杂的系统，至少需要一支由5～6 名有一定理论基础、有一定工作经验、动手能力强、富有高度责任感、凝聚力强的工程师组成的核心队伍。不但要会操作设备还要掌握每个系统的功能、特点及相应的连锁关系，分析设备出故障时产生原因，对出故障多的设备进行统计，并以此为依据，把动力设备按照重要性分类，从而制定不同的保养计划和巡查制度。

4 结 论

我们在整线建设时，特别是我们派往现场的管理人员，始终把客户的需求摆在第一位，为客户着想。在设计时充分与客户沟通，对新客户在签合同前会详细向其介绍生产线的组成，各外围设施的布置位置、用途等，在整线建设过程中会要求客户派外围工程师一起工作，目的是让其了解外围设施的布置位置、管道走向等，并实时对其培训。所以，我们的整线建设能很快让客户上手，也得到了用户的好评。

[1] 梁昌鑫，陈孝祺. 太阳能电池现状及其发展前景[J].上海电机学院学报，2010，13（3）：182-186.

[2] 翁寿松. 太阳能电池及其设备[J].电子工业专业设备，2008，37(4):1-4.