縮短多晶硅鑄錠生產時間的分析

◇江西新能源科技職業(yè)學院 梁桂恒

隨著太陽能光伏發(fā)電技術的應用推廣，光伏發(fā)電系統(tǒng)呈現家庭化方向發(fā)展的趨勢，因此對太陽能電池用多晶硅鑄錠的需求量不斷增加。為了適應這種日益增長的需求，縮短多晶硅鑄錠生產時間、提高設備產能是行之有效的方法。本文對當前多晶硅鑄錠生產工藝優(yōu)化及技術改進的方法進行了系統(tǒng)分析。

1 家庭屋頂光伏電站

屋頂光伏電站是家庭太陽能光伏發(fā)電的主要形式，方便家庭利用綠色新能源，響應了國家提出的建設節(jié)約型社會政策，使得太陽能電池用多晶硅鑄錠的需求日益增長。

2 多晶硅鑄錠生產設備：鑄錠爐

鑄錠爐設備由爐體、熱場、真空泵、電氣控制柜、人機界面等組成，可實現熱場加熱、溫度、壓力、真空度等子系統(tǒng)控制。采用多晶硅定向凝固技術，硅料在高溫熔融后，通過定向冷凝結晶工藝，形成太陽能電池生產用多晶硅硅錠，提供高品質硅片原料。

3 鑄錠爐的鑄錠工藝及常見故障

3.1 鑄錠工藝及參數

鑄錠工藝流程為預熱、熔化、長晶、退火、冷卻，一般工藝參數設置如下。

預熱：時間約15h，溫度控制范圍為室溫～1200℃，過程保溫；熔化：時間約10h，溫度控制范圍1200℃～1550℃，真空度約44.1Pa，充入氬氣、保溫；長晶：時間約15h，溫度控制范圍1440℃～1400℃，真空度保持44.1Pa，充入氬氣、保溫；退火：時間約12h，溫度控制1400℃～1000℃，真空度保持44.1Pa，持續(xù)充入氬氣并緩慢降溫；冷卻：時間約8h，溫度控制1000℃～400℃，真空度約52.5Pa，持續(xù)充入氬氣并繼續(xù)緩慢降溫；單爐硅錠的生產預計需要耗時：15h+10h+15h+12h+8h，總計時間約60h。

3.2 常見故障

鑄錠爐運行一般是自動控制模式，高溫等條件下設備工況惡劣，機械或電氣元件的故障在所難免。運行中的故障應急處理要快速有效，所以對設備定期保養(yǎng)和維護是非常必的要手段。多晶硅鑄錠爐常見的故障主要有：①石墨熱場電阻不夠，主要原因有熱區(qū)內石墨件發(fā)生短路、陶瓷瓦片損壞、氮化硼墊片損壞、爐體與石墨電極短接、功率變壓器短路等；②冷卻水流量不足，主要原因有控制模塊損壞、水管積垢堵塞、水流量計故障等；③真空度不足報警，主要原因有壓力表、真空泵故障、爐體或管路泄露；④隔熱籠故障，表現在隔熱籠不動或發(fā)生傾斜；⑤TC管泄漏報警；⑥電流失衡；⑦壓力故障報警，主要原因是壓力開關報警設置異常、氣壓不足或閥門關閉、過濾器阻塞；⑧下爐體升降故障，表現為下爐體傾斜或下爐體不動等。

4 技術改進與優(yōu)化

根據鑄錠工藝要求，鑄錠爐單爐鑄錠通常運行時間較長，需持續(xù)運行60小時，而故障維修時間很短，設備運行過程中的操作控制必須特別謹慎，避免造成重大損失。根據行業(yè)內主流的生產線設備的實際生產情況，及前述鑄錠爐工藝流程及常見故障的分析，歸納總結以下鑄錠爐的技術改進項目和優(yōu)化方法，最大限度的縮短單爐硅錠生產時間，提高鑄錠爐產能。

4.1 裝料工藝技術改進

（1）硅料使用需合理搭配：①頭尾料、邊料要量化；②小顆粒料要適量；③碎硅片適當。

（2）定量配置好不同形狀和大小的硅料，既可提升熱區(qū)內的空間利用率，又在硅料間形成一定的縫隙，以便硅液流動，另外縫隙的存在也為硅料膨脹留有空間，避免溢流事故發(fā)生。

（3）裝料操作：①依次裝入大硅料作為骨架，用小顆粒料填充骨架的縫隙；②頭尾料、邊料合理放置，充分利用裝料空間；③注意熱區(qū)內壁處的邊尾料之間要留足縫隙，并使之保持空白，為硅液流動提供空間，并為后續(xù)的硅液冷卻膨脹提供空間。

4.2 鑄錠爐技術改進

鑄錠爐熱場、加熱溫度的技術改進。①熱場保溫層：爐體內部采用新型保溫材料，改善保溫性能。②熱場加熱板：采用加大功率的石墨加熱板，改進加熱效率。③熱場控制點：分別采用增加熱電偶監(jiān)測點，改進測溫性能。④熱場加熱梯度：分別采用多種溫度的梯度工藝，改進加熱工藝。⑤熱場加熱電氣參數（U、I）：分別采用多種電氣參數，改進設備電氣性能。

預熱是硅料加熱和雜質揮發(fā)階段，減輕溫度波動對熱場的影響是重點，應制定適合的加熱功率參數、加熱時間，合理轉換控制模式，縮短系統(tǒng)調整時間。熔化是硅料熔融的過程，采用適合的熱場技術、優(yōu)化溫度變化梯度是該階段技術改進的有效手段。長晶是多晶硅的生長過程，該階段以調整控溫偶目標溫度和隔熱籠開度來控制長晶速度和固液界面形狀，因此控溫偶溫度和隔熱籠開度是優(yōu)化重點。退火時必須防止爐體內部過快降溫，影響硅錠質量，所以控制降溫速率是優(yōu)化目標。冷卻階段硅錠的自然降溫，外界環(huán)境溫度會影響冷卻速度，可優(yōu)化外界溫度。

4.3 有效縮短單爐鑄錠生產時間

通過以上鑄錠爐的技術改進和鑄錠工藝優(yōu)化，可將單爐鑄錠生產時間從60h縮短到55h，生產時間可以節(jié)約8.3%。同時對鑄錠爐的換模時間進行精細化管理，可進一步改善多晶硅鑄錠爐生產效率，提高鑄錠爐設備產能。

5 結語

本文分析了多晶硅鑄錠工藝，鑄錠爐組成、工藝及常見故障，技術改進、工藝優(yōu)化等，為縮短單爐硅錠生產時間，提高鑄錠爐產能提供了參考。但本文僅做了方向性的分析和指導，沒有對具體設備給出量化的改進與優(yōu)化，具體的工藝技術優(yōu)化、改進，應根據企業(yè)實際，因地制宜的去制定。