DDL-500型多晶硅鑄錠爐的開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)

趙雪峰

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二研究所，山西 太原 030024)

多晶硅鑄錠爐作為光伏電池生產(chǎn)過(guò)程中的重要設(shè)備，為太陽(yáng)能電池生產(chǎn)提供著穩(wěn)定、大量、廉價(jià)的多晶硅硅錠。隨著生產(chǎn)成本的激烈競(jìng)爭(zhēng)，生產(chǎn)效率的要求進(jìn)一步提高，對(duì)硅錠的尺寸要求也越來(lái)越大，硅錠的質(zhì)量隨之急劇增加。隨著硅錠的增大，成品硅錠的出片尺寸變得更大，出片率得到了提高，有效利用率明顯增加。因此，研制開(kāi)發(fā)更大尺寸的多晶硅鑄錠爐，對(duì)光伏電池的生產(chǎn)成本有著明顯降低，對(duì)光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展起著重要的增速作用。

1 多晶硅鑄錠爐的開(kāi)發(fā)分析

1.1 基礎(chǔ)分析

DDL-240 多晶硅鑄錠爐為我所自行設(shè)計(jì)制造的第一代鑄錠爐，該型鑄錠爐設(shè)計(jì)成熟，并作了大量的試驗(yàn)，性能穩(wěn)定，運(yùn)行良好。但是由于鑄錠質(zhì)量小，鑄錠規(guī)格尺寸小，已不能滿(mǎn)足現(xiàn)在的市場(chǎng)需求。因此，在該設(shè)備基礎(chǔ)上，進(jìn)行再次開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，研制能滿(mǎn)足市場(chǎng)需求，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，能提供更大質(zhì)量、尺寸的DDL-500型鑄錠爐。

DDL-240 多晶硅鑄錠爐的主要結(jié)構(gòu)及技術(shù)參數(shù)：

主要結(jié)構(gòu)：真空?qǐng)A形雙層不銹鋼水冷殼體，下部裝料，兩級(jí)真空系統(tǒng)，石墨加熱體，硬質(zhì)石墨保溫碳?xì)?，方形隔熱籠體

主要技術(shù)參數(shù)：極限真空度2.67 Pa，加熱功率175 kVA，最高溫度1 560℃，額定鑄錠質(zhì)量240 kg

生產(chǎn)周期：每爐約50 h

1.2 目標(biāo)分析

此次設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的目標(biāo)為DDL-500 多晶硅鑄錠爐，對(duì)該型鑄錠爐的設(shè)計(jì)要求及技術(shù)參數(shù)：

主要結(jié)構(gòu)：真空?qǐng)A形雙層不銹鋼水冷殼體，下部裝料，兩級(jí)真空系統(tǒng)，石墨加熱體，硬質(zhì)石墨保溫碳?xì)?，方形隔熱籠體。

主要技術(shù)參數(shù)：極限真空度2.67 Pa，加熱功率175 kVA，最高溫度1 560℃，額定鑄錠質(zhì)量500 kg

生產(chǎn)周期：每爐約65～70 h

DDL-500 多晶硅鑄錠爐設(shè)計(jì)要求單次裝爐硅料質(zhì)量不小于500 kg，生產(chǎn)周期不大于70 h。因此，相對(duì)原有多晶硅鑄錠爐有如下需要考慮,存在的問(wèn)題：(1)硅錠重量的增加導(dǎo)致石英坩堝的增大，從而引起熱場(chǎng)的增大，如何在現(xiàn)有爐腔空間內(nèi)增大熱場(chǎng)空間滿(mǎn)足要求；（2）熱場(chǎng)的增大帶來(lái)更大的加熱空間，原加熱體的加熱結(jié)構(gòu)及方式能否滿(mǎn)足需求；(3)隨著熱場(chǎng)結(jié)構(gòu)及加熱結(jié)構(gòu)形式的變化，如何保證硅液的熔化及長(zhǎng)晶時(shí)間，滿(mǎn)足生產(chǎn)周期要求；（4）其它相關(guān)的組件能否滿(mǎn)足因質(zhì)量提升帶來(lái)的其它問(wèn)題。

1.3 改進(jìn)方案

通過(guò)對(duì)DDL-500多晶硅鑄錠爐及DDL-240 多晶硅鑄錠爐進(jìn)行仔細(xì)分析論證后，擬定的改進(jìn)方案為：（1）保持DDL-240 多晶硅鑄錠爐爐體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)及真空系統(tǒng)；（2）保持DDL-240 多晶硅鑄錠爐的加熱功率；（3）保持DDL-240 多晶硅鑄錠爐充氣、溫度檢測(cè)結(jié)構(gòu)；（4）保持DDL-240 多晶硅鑄錠爐的升降系統(tǒng)；（5）對(duì)石墨加熱體進(jìn)行重新設(shè)計(jì)；（6）對(duì)隔熱籠及隔熱層進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)；（7）對(duì)DS塊及下保溫結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)。

1.3.1 石墨加熱體

DDL-240 多晶硅鑄錠爐的石墨加熱體為四周加熱，加熱帶均勻布置，加熱的輻射面相對(duì)較小，在原有加熱功率基礎(chǔ)上，如果增大坩堝的尺寸及裝料的質(zhì)量，可能會(huì)導(dǎo)致坩堝內(nèi)的硅料熔化緩慢或熔化不完全，影響硅料的熔化時(shí)間，造成熔化時(shí)間明顯增加。而硅料的熔化不完全，會(huì)對(duì)硅液的長(zhǎng)晶速率造成影響，無(wú)法保證硅液的穩(wěn)定生長(zhǎng)過(guò)程，從而影響生成的硅錠質(zhì)量，影響成品率。因此，需要對(duì)石墨加熱體重新開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)。

1.3.2 隔熱層及隔熱籠

由于加熱空間的增大，加熱器結(jié)構(gòu)形狀的完全改變，導(dǎo)致原隔熱層的空間需要增加，隔熱板的結(jié)構(gòu)也要符合加熱器的改動(dòng)，從而對(duì)固定隔熱層的隔熱籠提出了新的要求，既要保證能提供足夠的空間，又要保證能滿(mǎn)足加熱體的裝配要求。因此，隔熱籠除了沿用原有的方形型式外，焊接結(jié)構(gòu)的隔熱籠已由于長(zhǎng)期使用的變形較大，已不能滿(mǎn)足要求，需要重新設(shè)計(jì)隔熱籠的結(jié)構(gòu)。

1.3.3 DS塊及下保溫結(jié)構(gòu)

因鑄錠質(zhì)量的增加，石英坩堝的增大，會(huì)對(duì)硅液的長(zhǎng)晶速率產(chǎn)生較大影響，如何去保證硅液固液界面的穩(wěn)定生成，如何去保證長(zhǎng)晶速率的平穩(wěn)，需要對(duì)DS塊及下部的保溫方式重新設(shè)計(jì)改進(jìn)。

2 DDL-500 多晶硅鑄錠爐實(shí)施措施

通過(guò)上述的分析，對(duì)提出需要重新開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的內(nèi)容進(jìn)行試驗(yàn)、論證后，提出具體的設(shè)計(jì)方案。

2.1 石墨加熱體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在加熱功率保持不變的情況下，由于工料質(zhì)量加大，采用單一的四周側(cè)加熱會(huì)引起熔化的緩慢及不均勻，延長(zhǎng)熔化的時(shí)間。因此，對(duì)加熱體進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。新的加熱器由原來(lái)的四面加熱改為五面加熱，增加頂面加熱器，對(duì)硅料從頂部進(jìn)行加熱，使硅料能得到充分的熱量，并對(duì)硅液形成一個(gè)有效的自下而上的沸騰狀循環(huán)，將未熔化的硅料從底面上浮到頂部后獲得足夠的熱量，加速熔化，通過(guò)這種反復(fù)的循環(huán)，使得硅料的熔化更加完全、充分，同時(shí)也縮短了熔化時(shí)間，保證了硅液長(zhǎng)晶時(shí)的液面溫度。

加熱器具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 加熱器設(shè)計(jì)改進(jìn)

DDL-500 多晶硅鑄錠爐的加熱器四周加熱帶首尾相連，與調(diào)壓器的3個(gè)輸出端連接，頂部加熱帶也采用首尾相連，與調(diào)壓器的3個(gè)輸出端連接，形成2個(gè)△并聯(lián)結(jié)構(gòu)，既保證了功率要求，也提高了加熱的輻射面積，保證了加熱的可靠性。

2.2 隔熱籠及隔熱層的設(shè)計(jì)

由于隔熱籠的增大，所有的隔熱板均增大以符合隔熱籠尺寸，隔熱層的厚度不增加。隔熱籠的尺寸增大，如仍采用原有的焊接結(jié)構(gòu)，無(wú)法保證焊接加工后的外形尺寸及變形，在以后的使用過(guò)程中，由于溫度的原因，會(huì)加大變形量，導(dǎo)致整體變形，嚴(yán)重的話會(huì)影響加熱器無(wú)法正常工作，甚至導(dǎo)致?lián)p壞熱場(chǎng)，另外隔熱籠的嚴(yán)重變形會(huì)導(dǎo)致漏熱嚴(yán)重，無(wú)法正常生產(chǎn)。

因此，將隔熱籠作全新設(shè)計(jì)處理，將焊接機(jī)構(gòu)改為螺栓連接結(jié)構(gòu)，增大隔熱籠的寬度尺寸及高度尺寸，同時(shí)將4 角做切角處理，最大化利用爐腔內(nèi)空間，同時(shí)也增加了熱場(chǎng)空間，以滿(mǎn)足500型石英坩堝的空間要求。各隔熱框架均采用不銹鋼螺釘連接，避免了焊接所產(chǎn)生的應(yīng)力變形，有效地減小了使用過(guò)程中的熱變形，保證了熱場(chǎng)的穩(wěn)定性。隔熱籠具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 隔熱籠設(shè)計(jì)對(duì)比

2.3 DS塊及下保溫結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

DS塊除了作為物料的承放平臺(tái)外，更是重要的固液轉(zhuǎn)換控制臺(tái)，通過(guò)DS塊有效保證硅液底部的溫度，穩(wěn)定固液界面的勻速上升，從而使得長(zhǎng)晶過(guò)程變得平穩(wěn)。通過(guò)將原有的方形DS塊改進(jìn)為現(xiàn)在的凸臺(tái)形DS塊，并且增加上下石墨碳?xì)直匕澹行Э刂屏宋鼰?、散熱量，將增加后物料的熱量能夠均勻散出，形成穩(wěn)定的由下而上的長(zhǎng)晶固液界面，從而有效地穩(wěn)定整個(gè)長(zhǎng)晶過(guò)程。

DS塊及下保溫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 DS塊設(shè)計(jì)對(duì)比

3 設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)結(jié)果

DDL-500 多晶硅鑄錠爐設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)完成后，通過(guò)投料試驗(yàn)，滿(mǎn)載試驗(yàn)，取得了良好的效果，鑄錠質(zhì)量在500 kg 時(shí)，生產(chǎn)周期可控制在72 h 以?xún)?nèi)，鑄錠質(zhì)量最大660 kg 時(shí)，生產(chǎn)周期在90 h 以?xún)?nèi)，完全達(dá)到和滿(mǎn)足了設(shè)計(jì)生產(chǎn)要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

作為光伏產(chǎn)業(yè)鏈中的基礎(chǔ)設(shè)備，DDL-500 多晶硅鑄錠爐在實(shí)際的連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程中，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，有效地降低了生產(chǎn)成本，提高了生產(chǎn)效率，為光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了廉價(jià)、必要的工業(yè)設(shè)備。

[1]陳國(guó)紅.多晶硅鑄錠爐加熱室的設(shè)計(jì)[J].電子工業(yè)專(zhuān)用設(shè)備，2007（7）：36-39.

[2]達(dá)道安.真空設(shè)計(jì)手冊(cè)-修訂版[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1995.

[3]王秉銓.工業(yè)爐設(shè)計(jì)手冊(cè)-2 版[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.