晶體硅太陽能電池生產線外圍設施建設經驗漫談

陳特超，謝建國，李 克，毛朝斌

(中國電子科技集團公司第四十八研究所，湖南長沙410111)

太陽能電池屬綠色能源產品，太陽能作為可 再生資源，它是解決當前全球能源枯竭和環境污染問題的重要途徑之一[1]。太陽能電池具有許多其他發電方式所不具備的優點：不消耗燃料、不受地域限制、規模可靈活組合、無污染、無噪音、安全可靠、維護簡單、建設周期短、最具有大規模應用可能性[2]。近幾年來，各國也都在不斷加大太陽能應用的投資力度，各大太陽能電池生產公司也都爭先恐后地開發太陽能電池工藝新技術，旨在提高電池轉換效率，爭搶太陽能發電市場。

在太陽能電池生產線中，工藝設備固然重要，它直接影響轉換效率，但外圍設施的配置也不可忽視。生產線上所有工藝設備正常運行時都需要外部提供一定的條件，這些條件的制造單元統稱為外圍設施，包括設備、管道等。它的好壞直接影響整線生產的正常、穩定運行，甚至影響電池轉換效率。如擴散爐中尾氣排放是靠外圍設備的有機排風抽出的，如果管路走向不合理，抽風機排量選擇不夠大，施工、安裝不到位，將會造成抽速的波動，直接影響擴散后硅片的方塊電阻值。因此，外圍設施設計、施工質量至關重要。

1 太陽能電池線工藝流程及對外圍設施的需求

目前晶體硅太陽電池生產工藝流程如圖1所示。

圖1 晶體硅太陽電池生產工藝流程

根據工藝要求，以上的每道工序，所需外圍設施配套供應條件見表1。

表1 晶體硅太陽能電池生產車間外圍設施供應條件需求表

2 廠房布置圖

現在標準廠房小產能的太陽能電池生產線布置方案最多的是直線式流片方式，如圖2 所示。

3 建設經驗

晶體硅太陽電池生產線一般以產能25 MW/年為一條線，為節約占地面積和增加設備利用率，一般每個公司投資廠房都會按50 MW/年建設。這樣，廠房占地約2 400 m2（包括辦公區，但廢氣、廢水處理系統及氣罐不在此面積內）。按照三班制生產來計算，操作人員應有120 人左右，即每班30 人員，因此更衣室至少需要40 m2，如果男女更衣室獨立設置或者設有貴賓更衣室，則需要更大的面積；車間附近的衛生間，應至少能同時供10 人使用。

圖2 太陽能電池生產線布置

外圍動力包括空調、純水、壓空、真空、工藝冷卻水、變配電、通訊等。其中占地面積最大的是空調系統、純水設備及管道，如果在這幾個系統的方案上多做優化，可節省很大的占地面積。廠房和動力站房有鋼筋混凝土框架結構的多層建筑，也有鋼結構加金屬復合板的單層建筑，但對廠房的層高有要求，一般生產車間凈化間層高是3 m，工藝管道布置在生產車間頂上，因管線眾多，為使外圍施工方便，生產車間層高應不少于7 m。

生產線上的工藝設備和外圍設備設施用電功率總計在2 800 kW 左右，因此必須有可靠的電能供應。進線變壓器需留有20%的余量。耗能最大的工藝設備是擴散爐和PECVD 設備（約300 kW/臺），外圍設備是空調機、工藝冷卻水制冷機。

工藝純水的用量在20 t/h 左右（單晶硅生產線），多晶硅生產線的用量要少一點，水質標準應達到中國電子級水的技術指標GB/T11446.1-1997中EW-1 級。一般要求18 MΩ·cm。

工藝冷卻水用量也在15 t/h 左右，水中微粒直徑不大于10 μm，冷水機供水出口溫度宜在8～20 ℃，供水壓力0.5 MPa 左右，應有可靠的供水溫度與供水壓力控制。建議水泵采用變頻控制，管道材質宜采用剛性金屬管道，最好采用不銹鋼管道，但造價會高些。由于電池生產線是24 h 不停的生產，為保證不影響生產，增加可靠性，我們在整線設計時工藝冷卻水都會采用雙水泵供水，兩臺水泵交替工作，如果一臺水泵出問題，可馬上切換到另一臺水泵使用，壞的泵維修時不影響生產線的生產。這里要特別注意，使用兩臺泵時，兩臺泵出口管匯合處的三通管管徑要比單根管的大一些，即增加三通管內水的容量，這樣切換泵時用水點壓力波動不會太大。

壓縮空氣用量在400 m3/h 左右，如果空氣品質要求較高，需要達到壓縮空氣質量等級的1 級甚至更高要求，建議使用無油空壓機，但是初投資成本也會較高。經空壓機出來的壓縮空氣需經干燥處理，一般采取冷干/ 吸附組合式干燥機。

N2和O2一般采用液體儲罐供應的方式，這樣使用成本低。N2用量較大，儲罐容積一般用30 m3，O2用量很少，儲罐5 m3足夠，有的單位就用杜瓦瓶供氧。

SiH4、CF4、NH3等特殊氣體考慮安全因素，必須單獨設置一個特氣間。因為N2、O2、CF4、SiH4及NH3氣體所使用管道材質必須是內拋光不銹鋼管，比較昂貴，所以設計氣體站時應盡量靠近用氣設備。但要特別注意，特氣房的墻是采用防爆墻，其中的泄爆墻必須朝向遠離設備方向，且泄爆墻外應無人經常走動。

空調系統的空氣處理方式則視具體情況而定，最省錢的方式是采取組合式空氣處理機組+送風口風箱的模式，這種方式在小的太陽能電池公司或剛涉足太陽能電池行業的公司中應用較普遍，他的不足之處是各房間內的溫度不能獨立調節。建議采用多臺組合空調分工序共用的模式，這樣雖然前期成本高一點，但使用時可根據情況關掉部分功能，如擴散間，其內部設備發熱量比較大，房間溫度較高，可不采用熱空調。而且擴散區對潔凈度要求較高，設計獨立的空氣處理系統對工藝影響小。

酸排氣量不小于10 000 m3/h，一般采用濕式洗滌、中和等處理方式。有機排氣量也不小于10 000 m3/h，一般采用干式吸附法處理。熱排風量不小于13 000 m3/h，因為只是普通排氣，可不經處理直接排放。但其抽風穩定性對工藝影響很大，所以要采用耐熱風機，且設計時我們也是采用雙機配置，一用一備，確保生產不停頓。相對而言，硅烷處理要謹慎，一旦泄漏就會起火。所以要特別注意，PECVD 的排氣管道（真空泵至處理塔之間的管道）也要進行檢漏，一般的建設單位會忽略此程序，因為此段管道內會有較多的未反應的SiH4 氣體，且就在凈化間頂上，一旦泄漏也可能會引起火災。

工藝設備二次配管過程中，每臺工藝設備都有不同的要求，應按照供貨商和工藝工程師的要求來做。特別是廢水、廢氣排放管道不能接錯，否則可能產生交叉污染。

在外圍設施施工完成、調試過程中，特別要注意，水、電、氣在通入設備之前要做好全面的檢查工作，包括密封性、絕緣性試驗，確保無滲漏、無漏電。水、氣在進入設備前須將設備上方的閥門關閉，對外圍管道進行沖洗，務必保證管道內清洗、吹掃干凈徹底，否則，設備一旦被污染，再次清洗不但代價昂貴，甚至會造成重大損失。

整線建設完成后，運行維護是關鍵。太陽能電池生產線外圍設施是一個復雜的系統，至少需要一支由5～6 名有一定理論基礎、有一定工作經驗、動手能力強、富有高度責任感、凝聚力強的工程師組成的核心隊伍。不但要會操作設備還要掌握每個系統的功能、特點及相應的連鎖關系，分析設備出故障時產生原因，對出故障多的設備進行統計，并以此為依據，把動力設備按照重要性分類，從而制定不同的保養計劃和巡查制度。

4 結 論

我們在整線建設時，特別是我們派往現場的管理人員，始終把客戶的需求擺在第一位，為客戶著想。在設計時充分與客戶溝通，對新客戶在簽合同前會詳細向其介紹生產線的組成，各外圍設施的布置位置、用途等，在整線建設過程中會要求客戶派外圍工程師一起工作，目的是讓其了解外圍設施的布置位置、管道走向等，并實時對其培訓。所以，我們的整線建設能很快讓客戶上手，也得到了用戶的好評。

[1] 梁昌鑫，陳孝祺. 太陽能電池現狀及其發展前景[J].上海電機學院學報，2010，13（3）：182-186.

[2] 翁壽松. 太陽能電池及其設備[J].電子工業專業設備，2008，37(4):1-4.