缩短多晶硅铸锭生产时间的分析

2021-12-31江西新能源科技职业学院梁桂恒

内江科技 2021年5期

◇江西新能源科技职业学院梁桂恒

随着太阳能光伏发电技术的应用推广，光伏发电系统呈现家庭化方向发展的趋势，因此对太阳能电池用多晶硅铸锭的需求量不断增加。为了适应这种日益增长的需求，缩短多晶硅铸锭生产时间、提高设备产能是行之有效的方法。本文对当前多晶硅铸锭生产工艺优化及技术改进的方法进行了系统分析。

1 家庭屋顶光伏电站

屋顶光伏电站是家庭太阳能光伏发电的主要形式，方便家庭利用绿色新能源，响应了国家提出的建设节约型社会政策，使得太阳能电池用多晶硅铸锭的需求日益增长。

2 多晶硅铸锭生产设备：铸锭炉

铸锭炉设备由炉体、热场、真空泵、电气控制柜、人机界面等组成，可实现热场加热、温度、压力、真空度等子系统控制。采用多晶硅定向凝固技术，硅料在高温熔融后，通过定向冷凝结晶工艺，形成太阳能电池生产用多晶硅硅锭，提供高品质硅片原料。

3 铸锭炉的铸锭工艺及常见故障

3.1 铸锭工艺及参数

铸锭工艺流程为预热、熔化、长晶、退火、冷却，一般工艺参数设置如下。

预热：时间约15h，温度控制范围为室温～1200℃，过程保温；熔化：时间约10h，温度控制范围1200℃～1550℃，真空度约44.1Pa，充入氩气、保温；长晶：时间约15h，温度控制范围1440℃～1400℃，真空度保持44.1Pa，充入氩气、保温；退火：时间约12h，温度控制1400℃～1000℃，真空度保持44.1Pa，持续充入氩气并缓慢降温；冷却：时间约8h，温度控制1000℃～400℃，真空度约52.5Pa，持续充入氩气并继续缓慢降温；单炉硅锭的生产预计需要耗时：15h+10h+15h+12h+8h，总计时间约60h。

3.2 常见故障

铸锭炉运行一般是自动控制模式，高温等条件下设备工况恶劣，机械或电气元件的故障在所难免。运行中的故障应急处理要快速有效，所以对设备定期保养和维护是非常必的要手段。多晶硅铸锭炉常见的故障主要有：①石墨热场电阻不够，主要原因有热区内石墨件发生短路、陶瓷瓦片损坏、氮化硼垫片损坏、炉体与石墨电极短接、功率变压器短路等；②冷却水流量不足，主要原因有控制模块损坏、水管积垢堵塞、水流量计故障等；③真空度不足报警，主要原因有压力表、真空泵故障、炉体或管路泄露；④隔热笼故障，表现在隔热笼不动或发生倾斜；⑤TC管泄漏报警；⑥电流失衡；⑦压力故障报警，主要原因是压力开关报警设置异常、气压不足或阀门关闭、过滤器阻塞；⑧下炉体升降故障，表现为下炉体倾斜或下炉体不动等。

4 技术改进与优化

根据铸锭工艺要求，铸锭炉单炉铸锭通常运行时间较长，需持续运行60小时，而故障维修时间很短，设备运行过程中的操作控制必须特别谨慎，避免造成重大损失。根据行业内主流的生产线设备的实际生产情况，及前述铸锭炉工艺流程及常见故障的分析，归纳总结以下铸锭炉的技术改进项目和优化方法，最大限度的缩短单炉硅锭生产时间，提高铸锭炉产能。

4.1 装料工艺技术改进

（1）硅料使用需合理搭配：①头尾料、边料要量化；②小颗粒料要适量；③碎硅片适当。

（2）定量配置好不同形状和大小的硅料，既可提升热区内的空间利用率，又在硅料间形成一定的缝隙，以便硅液流动，另外缝隙的存在也为硅料膨胀留有空间，避免溢流事故发生。

（3）装料操作：①依次装入大硅料作为骨架，用小颗粒料填充骨架的缝隙；②头尾料、边料合理放置，充分利用装料空间；③注意热区内壁处的边尾料之间要留足缝隙，并使之保持空白，为硅液流动提供空间，并为后续的硅液冷却膨胀提供空间。

4.2 铸锭炉技术改进

铸锭炉热场、加热温度的技术改进。①热场保温层：炉体内部采用新型保温材料，改善保温性能。②热场加热板：采用加大功率的石墨加热板，改进加热效率。③热场控制点：分别采用增加热电偶监测点，改进测温性能。④热场加热梯度：分别采用多种温度的梯度工艺，改进加热工艺。⑤热场加热电气参数（U、I）：分别采用多种电气参数，改进设备电气性能。

预热是硅料加热和杂质挥发阶段，减轻温度波动对热场的影响是重点，应制定适合的加热功率参数、加热时间，合理转换控制模式，缩短系统调整时间。熔化是硅料熔融的过程，采用适合的热场技术、优化温度变化梯度是该阶段技术改进的有效手段。长晶是多晶硅的生长过程，该阶段以调整控温偶目标温度和隔热笼开度来控制长晶速度和固液界面形状，因此控温偶温度和隔热笼开度是优化重点。退火时必须防止炉体内部过快降温，影响硅锭质量，所以控制降温速率是优化目标。冷却阶段硅锭的自然降温，外界环境温度会影响冷却速度，可优化外界温度。