單晶爐二次加料的模式及發展方向

李永哲

河北晶龍陽光設備有限公司 河北邢臺 055550

近年光伏市場回暖，市場需求猛增，市場競爭也越發劇烈。光伏發電成本優勢成為在市場競爭中勝出的不二法寶。在單晶電池成本中，單晶成本又起著決定性作用。為了降低成本，增大投料量拉制更長的單晶硅棒和一堝多棒成為各單晶生產廠商的首要選擇。增大一次投料量需涉及石英坩堝、熱系統甚至單晶爐主體的升級改造，改造難度大，成本投入高。如何在較小的改造成本下能夠實現大投料量，成為各拉晶廠家的追求。

1 二次加料簡介

在現在的單晶硅制造中，為了得到質量更高的硅片，多是選擇單晶爐拉制的方式，也就是常見的CZ法。單晶爐的主要部件有機架、坩堝驅動裝置、翻板閥、副爐室和真空系統等。拉制單晶硅的流程一般是從抽真空開始，第二步則是化料，在坩堝當中進行經水爆機爆料后的料塊的融化。這一過程中，料塊之間因為有一定空隙，而坩堝中可裝料塊有限，填料量不足也就導致最后拉制的硅棒長度過低，產量小。保證熔融的硅料能夠充滿坩堝，就需要二次加料的方式來增加投料量。

二次加料的方式從結構形式上分，有外置式和內置式兩種結構。內置式對爐體改動小，實現成本低，使用也是最為廣泛的。這種方式的原理也較為簡單，能夠以較低的成本實現二次加料的效果。但是這種方式通常無法實現較為精準的加料。新添置的單晶爐往往會預留外置式的加料口。外置式加料器通常是獨立于單晶爐設計的裝置，通過可伸縮輸料管與單晶爐連接。外置式的加料裝置甚至能夠在等徑的過程中實現追加投料量[1]。

如下圖為三種加料形式的示意圖。圖1為常見內置式的吊裝料塊形式。圖2為內置式中筒型加料器。圖3則是外置式加料裝置。

圖 內置式吊裝加料器

這一款內置式吊裝加料器通過件5重錘螺釘安裝于單晶爐。優點是單晶爐爐體不需要做改造，制作一套吊裝加料器即可，成本低，實現簡單。缺點是：只能加棒料、邊皮料，加裝時將硅料浸泡在爐內熔融的硅液中，加料速度慢，成本高，且有硅料掉落的風險[2]。

圖2 內置式筒型加料器

這一款內置式石英加料器通過件2連接桿安裝于單晶爐。優點是單晶爐爐體不需要做改造，制作一套筒型加料器即可，成本不高，實現簡單。缺點是：一次加一桶料，中途不能停止，加料器易碎，容易出現破裂[3]。

圖3 外置式加料裝置

本機構是用在單晶爐設備上，可以按照用戶的要求，在不同的階段自動為單晶爐添加硅原料的裝置。本裝置可實現不同重量的精確加料，一次投料可以達到60Kg，并且可以進行多次投料。使用本裝置，在工藝條件允許的情況下，可以實現單爐拉直多根單晶棒，大大提高生產效率，節約生產成本。該裝置的應用能夠提高設備利用率，降低生產成本，最大化的利用石英坩堝等配件的使用性能。

該裝置具有以下優勢：

●增加投料量，提高單臺產量●提高熱利用率，節約能源

●可以實現不同重量的精確加料●可實現多次投料

●減少其他加料的開爐動作，降低二次污染機率

●最大化了利用石英坩堝性能

2 二次加料裝置對比

2.1 內置式吊裝加料器

該吊裝架整體結構較為簡單，主要是選擇不會對硅料造成污染的材料制成，通過螺母固定在單晶爐中即可。二次添加硅料多選擇單晶硅棒開方后切割下來的邊皮料，邊皮料打孔，吊裝在件4芯軸，一次可吊裝多條表皮料。吊裝位置寬度可以通過左右螺栓進行適當調節，在二次加料過程中，待爐內硅料完全熔化后處于熔融狀態，講吊裝架首先升至單晶爐副爐室內，然后通過升降系統下降到液面的位置，緩慢浸入溶液即可。

這種形式吊裝架能夠充分利用邊皮料，硅料不用再破碎，加料裝置簡單，硅料預處理成本低，加料整體成本較低。但是因為加料是硅料浸泡在爐內熔融的硅液中，熔化一段，下降一段，加料速度緩慢，費事較長，能耗高；另外，硅料如有裂紋有硅料掉落的風險，加料速度也需嚴格管控，以防加料速度過快，造成漏硅風險。

2.2 筒型加料器

筒型加料器是使用較多的一種二次加料工具，主體多采用石英制成料筒和錐體，加料器成本適中。加料方式為在石英筒中添加塊狀硅料，把石英筒連同硅料掛入副室，下降石英筒，石英筒的法蘭掛在爐頸上，再下降，石英錐與石英筒脫開，硅料落入石英堝內。硅料進入到坩堝融化的時間與吊裝加料方式相比明顯縮短。

筒型加料器結構簡單，材質選用靈活，可用石英的或不銹鋼的，投料量大，最大一次可投料120KG。與吊裝是加料器相比，硅料需破碎清洗，筒體對硅料有污染的風險，一旦開始加料，中途無法停止，石英加料桶有破碎風險，加料過程中有可能會出現硅料飛濺現象，可能導致加熱器打火。雖然有以上風險隱患，但是因為結構簡單，成本低廉，這種加料方式普遍應用[4]。

2.3 外置式二次加料器

比較于以上兩種內置式加料器，外置式二次加料器是一種相對獨立的加料設備。各單晶爐設備制造商雖然多數聲稱掌握有改技術，但是均不作為標配產品供給。該裝置的應用可以做到變化料，邊加料，加料過程能夠做到更加精準的控制，甚至通過改造熱場及石英坩堝可以做到邊拉晶邊加料，能夠節約化料時間，大幅度降低拉晶成本。但是外置式加料器也有不足，首先該裝置結構復雜，制造成本較高，設備配置一次性投入較高。其次，設備對對加料的顆粒度及一致性要求較高，硅料成本較高。另外，外置式加料器普遍存在故障率高，容易出現卡料、輸料管破損、落料飛濺等[5]。

3 結語

單晶爐內置式二次加料器結構簡單、成本較低，很容易實現，已得到普遍的應用，短時間內是不可替代的。外置式二次加料器有著能夠做到較為精準的加料，加料的時間也不僅僅局限在拉晶之前，甚至可以在等徑過程中進行邊加料邊等徑的操作，實現真正意義上的連續加料。因此，相關研究人員一直注重這方面的開發，能夠研發出更匹配拉晶工藝的加料設備更是今后的重點方向。因此，通過優化拉晶工藝，改進設備性能，通過設備升級來實現光伏行業拉晶階段節能、降本、增效，推進本行業的健康有序發展，是我們的重要目標。