單晶爐二次加料的模式及發(fā)展方向

李永哲

河北晶龍陽光設(shè)備有限公司 河北邢臺(tái) 055550

近年光伏市場回暖，市場需求猛增，市場競爭也越發(fā)劇烈。光伏發(fā)電成本優(yōu)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(chǎn)廠商的首要選擇。增大一次投料量需涉及石英坩堝、熱系統(tǒng)甚至單晶爐主體的升級(jí)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?qū)崿F(xiàn)大投料量，成為各拉晶廠家的追求。

1 二次加料簡介

在現(xiàn)在的單晶硅制造中，為了得到質(zhì)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(jī)架、坩堝驅(qū)動(dòng)裝置、翻板閥、副爐室和真空系統(tǒng)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(dāng)中進(jìn)行經(jīng)水爆機(jī)爆料后的料塊的融化。這一過程中，料塊之間因?yàn)橛幸欢障?，而坩堝中可裝料塊有限，填料量不足也就導(dǎo)致最后拉制的硅棒長度過低，產(chǎn)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(jié)構(gòu)形式上分，有外置式和內(nèi)置式兩種結(jié)構(gòu)。內(nèi)置式對(duì)爐體改動(dòng)小，實(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)二次加料的效果。但是這種方式通常無法實(shí)現(xiàn)較為精準(zhǔn)的加料。新添置的單晶爐往往會(huì)預(yù)留外置式的加料口。外置式加料器通常是獨(dú)立于單晶爐設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)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(nèi)置式的吊裝料塊形式。圖2為內(nèi)置式中筒型加料器。圖3則是外置式加料裝置。

圖 內(nèi)置式吊裝加料器

這一款內(nèi)置式吊裝加料器通過件5重錘螺釘安裝于單晶爐。優(yōu)點(diǎn)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(shí)現(xiàn)簡單。缺點(diǎn)是：只能加棒料、邊皮料，加裝時(shí)將硅料浸泡在爐內(nèi)熔融的硅液中，加料速度慢，成本高，且有硅料掉落的風(fēng)險(xiǎn)[2]。

圖2 內(nèi)置式筒型加料器

這一款內(nèi)置式石英加料器通過件2連接桿安裝于單晶爐。優(yōu)點(diǎn)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(shí)現(xiàn)簡單。缺點(diǎn)是：一次加一桶料，中途不能停止，加料器易碎，容易出現(xiàn)破裂[3]。

圖3 外置式加料裝置

本機(jī)構(gòu)是用在單晶爐設(shè)備上，可以按照用戶的要求，在不同的階段自動(dòng)為單晶爐添加硅原料的裝置。本裝置可實(shí)現(xiàn)不同重量的精確加料，一次投料可以達(dá)到60Kg，并且可以進(jìn)行多次投料。使用本裝置，在工藝條件允許的情況下，可以實(shí)現(xiàn)單爐拉直多根單晶棒，大大提高生產(chǎn)效率，節(jié)約生產(chǎn)成本。該裝置的應(yīng)用能夠提高設(shè)備利用率，降低生產(chǎn)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(yōu)勢：

●增加投料量，提高單臺(tái)產(chǎn)量●提高熱利用率，節(jié)約能源

●可以實(shí)現(xiàn)不同重量的精確加料●可實(shí)現(xiàn)多次投料

●減少其他加料的開爐動(dòng)作，降低二次污染機(jī)率

●最大化了利用石英坩堝性能

2 二次加料裝置對(duì)比

2.1 內(nèi)置式吊裝加料器

該吊裝架整體結(jié)構(gòu)較為簡單，主要是選擇不會(huì)對(duì)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(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)，在二次加料過程中，待爐內(nèi)硅料完全熔化后處于熔融狀態(tài)，講吊裝架首先升至單晶爐副爐室內(nèi)，然后通過升降系統(tǒng)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(yù)處理成本低，加料整體成本較低。但是因?yàn)榧恿鲜枪枇辖菰跔t內(nèi)熔融的硅液中，熔化一段，下降一段，加料速度緩慢，費(fèi)事較長，能耗高；另外，硅料如有裂紋有硅料掉落的風(fēng)險(xiǎn)，加料速度也需嚴(yán)格管控，以防加料速度過快，造成漏硅風(fēng)險(xiǎn)。

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(nèi)。硅料進(jìn)入到坩堝融化的時(shí)間與吊裝加料方式相比明顯縮短。

筒型加料器結(jié)構(gòu)簡單，材質(zhì)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(duì)硅料有污染的風(fēng)險(xiǎn)，一旦開始加料，中途無法停止，石英加料桶有破碎風(fēng)險(xiǎn)，加料過程中有可能會(huì)出現(xiàn)硅料飛濺現(xiàn)象，可能導(dǎo)致加熱器打火。雖然有以上風(fēng)險(xiǎn)隱患，但是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，這種加料方式普遍應(yīng)用[4]。

2.3 外置式二次加料器

比較于以上兩種內(nèi)置式加料器，外置式二次加料器是一種相對(duì)獨(dú)立的加料設(shè)備。各單晶爐設(shè)備制造商雖然多數(shù)聲稱掌握有改技術(shù)，但是均不作為標(biāo)配產(chǎn)品供給。該裝置的應(yīng)用可以做到變化料，邊加料，加料過程能夠做到更加精準(zhǔn)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(jié)約化料時(shí)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(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本較高，設(shè)備配置一次性投入較高。其次，設(shè)備對(duì)對(duì)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(xiàn)卡料、輸料管破損、落料飛濺等[5]。

3 結(jié)語

單晶爐內(nèi)置式二次加料器結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，很容易實(shí)現(xiàn)，已得到普遍的應(yīng)用，短時(shí)間內(nèi)是不可替代的。外置式二次加料器有著能夠做到較為精準(zhǔn)的加料，加料的時(shí)間也不僅僅局限在拉晶之前，甚至可以在等徑過程中進(jìn)行邊加料邊等徑的操作，實(shí)現(xiàn)真正意義上的連續(xù)加料。因此，相關(guān)研究人員一直注重這方面的開發(fā)，能夠研發(fā)出更匹配拉晶工藝的加料設(shè)備更是今后的重點(diǎn)方向。因此，通過優(yōu)化拉晶工藝，改進(jìn)設(shè)備性能，通過設(shè)備升級(jí)來實(shí)現(xiàn)光伏行業(yè)拉晶階段節(jié)能、降本、增效，推進(jìn)本行業(yè)的健康有序發(fā)展，是我們的重要目標(biāo)。