縮短多晶硅鑄錠生產(chǎn)時(shí)間的分析

◇江西新能源科技職業(yè)學(xué)院 梁桂恒

隨著太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用推廣，光伏發(fā)電系統(tǒng)呈現(xiàn)家庭化方向發(fā)展的趨勢(shì)，因此對(duì)太陽(yáng)能電池用多晶硅鑄錠的需求量不斷增加。為了適應(yīng)這種日益增長(zhǎng)的需求，縮短多晶硅鑄錠生產(chǎn)時(shí)間、提高設(shè)備產(chǎn)能是行之有效的方法。本文對(duì)當(dāng)前多晶硅鑄錠生產(chǎn)工藝優(yōu)化及技術(shù)改進(jìn)的方法進(jìn)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(yáng)能光伏發(fā)電的主要形式，方便家庭利用綠色新能源，響應(yīng)了國(guó)家提出的建設(shè)節(jié)約型社會(huì)政策，使得太陽(yáng)能電池用多晶硅鑄錠的需求日益增長(zhǎng)。

2 多晶硅鑄錠生產(chǎn)設(shè)備：鑄錠爐

鑄錠爐設(shè)備由爐體、熱場(chǎng)、真空泵、電氣控制柜、人機(jī)界面等組成，可實(shí)現(xiàn)熱場(chǎng)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(shù)，硅料在高溫熔融后，通過(guò)定向冷凝結(jié)晶工藝，形成太陽(yáng)能電池生產(chǎn)用多晶硅硅錠，提供高品質(zhì)硅片原料。

3 鑄錠爐的鑄錠工藝及常見(jiàn)故障

3.1 鑄錠工藝及參數(shù)

鑄錠工藝流程為預(yù)熱、熔化、長(zhǎng)晶、退火、冷卻，一般工藝參數(shù)設(shè)置如下。

預(yù)熱：時(shí)間約15h，溫度控制范圍為室溫～1200℃，過(guò)程保溫；熔化：時(shí)間約10h，溫度控制范圍1200℃～1550℃，真空度約44.1Pa，充入氬氣、保溫；長(zhǎng)晶：時(shí)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(shí)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(shí)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(chǎn)預(yù)計(jì)需要耗時(shí)：15h+10h+15h+12h+8h，總計(jì)時(shí)間約60h。

3.2 常見(jiàn)故障

鑄錠爐運(yùn)行一般是自動(dòng)控制模式，高溫等條件下設(shè)備工況惡劣，機(jī)械或電氣元件的故障在所難免。運(yùn)行中的故障應(yīng)急處理要快速有效，所以對(duì)設(shè)備定期保養(yǎng)和維護(hù)是非常必的要手段。多晶硅鑄錠爐常見(jiàn)的故障主要有：①石墨熱場(chǎng)電阻不夠，主要原因有熱區(qū)內(nèi)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(jì)故障等；③真空度不足報(bào)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(xiàn)在隔熱籠不動(dòng)或發(fā)生傾斜；⑤TC管泄漏報(bào)警；⑥電流失衡；⑦壓力故障報(bào)警，主要原因是壓力開(kāi)關(guān)報(bào)警設(shè)置異常、氣壓不足或閥門(mén)關(guān)閉、過(guò)濾器阻塞；⑧下?tīng)t體升降故障，表現(xiàn)為下?tīng)t體傾斜或下?tīng)t體不動(dòng)等。

4 技術(shù)改進(jìn)與優(yōu)化

根據(jù)鑄錠工藝要求，鑄錠爐單爐鑄錠通常運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)，需持續(xù)運(yùn)行60小時(shí)，而故障維修時(shí)間很短，設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中的操作控制必須特別謹(jǐn)慎，避免造成重大損失。根據(jù)行業(yè)內(nèi)主流的生產(chǎn)線設(shè)備的實(shí)際生產(chǎn)情況，及前述鑄錠爐工藝流程及常見(jiàn)故障的分析，歸納總結(jié)以下鑄錠爐的技術(shù)改進(jìn)項(xiàng)目和優(yōu)化方法，最大限度的縮短單爐硅錠生產(chǎn)時(shí)間，提高鑄錠爐產(chǎn)能。

4.1 裝料工藝技術(shù)改進(jìn)

（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(dāng)。

（2）定量配置好不同形狀和大小的硅料，既可提升熱區(qū)內(nèi)的空間利用率，又在硅料間形成一定的縫隙，以便硅液流動(dòng)，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(nèi)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(dòng)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(shù)改進(jìn)

鑄錠爐熱場(chǎng)、加熱溫度的技術(shù)改進(jìn)。①熱場(chǎng)保溫層：爐體內(nèi)部采用新型保溫材料，改善保溫性能。②熱場(chǎng)加熱板：采用加大功率的石墨加熱板，改進(jìn)加熱效率。③熱場(chǎng)控制點(diǎn)：分別采用增加熱電偶監(jiān)測(cè)點(diǎn)，改進(jìn)測(cè)溫性能。④熱場(chǎng)加熱梯度：分別采用多種溫度的梯度工藝，改進(jìn)加熱工藝。⑤熱場(chǎng)加熱電氣參數(shù)（U、I）：分別采用多種電氣參數(shù)，改進(jìn)設(shè)備電氣性能。

預(yù)熱是硅料加熱和雜質(zhì)揮發(fā)階段，減輕溫度波動(dòng)對(duì)熱場(chǎng)的影響是重點(diǎn)，應(yīng)制定適合的加熱功率參數(shù)、加熱時(shí)間，合理轉(zhuǎn)換控制模式，縮短系統(tǒng)調(diào)整時(shí)間。熔化是硅料熔融的過(guò)程，采用適合的熱場(chǎng)技術(shù)、優(yōu)化溫度變化梯度是該階段技術(shù)改進(jìn)的有效手段。長(zhǎng)晶是多晶硅的生長(zhǎng)過(guò)程，該階段以調(diào)整控溫偶目標(biāo)溫度和隔熱籠開(kāi)度來(lái)控制長(zhǎng)晶速度和固液界面形狀，因此控溫偶溫度和隔熱籠開(kāi)度是優(yōu)化重點(diǎn)。退火時(shí)必須防止?fàn)t體內(nèi)部過(guò)快降溫，影響硅錠質(zhì)量，所以控制降溫速率是優(yōu)化目標(biāo)。冷卻階段硅錠的自然降溫，外界環(huán)境溫度會(huì)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(chǎn)時(shí)間

通過(guò)以上鑄錠爐的技術(shù)改進(jìn)和鑄錠工藝優(yōu)化，可將單爐鑄錠生產(chǎn)時(shí)間從60h縮短到55h，生產(chǎn)時(shí)間可以節(jié)約8.3%。同時(shí)對(duì)鑄錠爐的換模時(shí)間進(jìn)行精細(xì)化管理，可進(jìn)一步改善多晶硅鑄錠爐生產(chǎn)效率，提高鑄錠爐設(shè)備產(chǎn)能。

5 結(jié)語(yǔ)

本文分析了多晶硅鑄錠工藝，鑄錠爐組成、工藝及常見(jiàn)故障，技術(shù)改進(jìn)、工藝優(yōu)化等，為縮短單爐硅錠生產(chǎn)時(shí)間，提高鑄錠爐產(chǎn)能提供了參考。但本文僅做了方向性的分析和指導(dǎo)，沒(méi)有對(duì)具體設(shè)備給出量化的改進(jìn)與優(yōu)化，具體的工藝技術(shù)優(yōu)化、改進(jìn)，應(yīng)根據(jù)企業(yè)實(shí)際，因地制宜的去制定。