CN103898603A

CN103898603A - 一种双电源多晶硅铸锭工艺

Info

Publication number: CN103898603A
Application number: CN201410176383.8A
Authority: CN
Inventors: 李俊军; 章勇; 黄涛明
Original assignee: NANTONG ZONGYI NOVEL MATERIALS Co Ltd
Current assignee: NANTONG ZONGYI NOVEL MATERIALS Co Ltd
Priority date: 2014-04-29
Filing date: 2014-04-29
Publication date: 2014-07-02

Abstract

本发明公开了一种双电源多晶硅铸锭工艺，包括装料填料、抽真空、熔化保温、长晶、退火和降温，其特征在于：所述熔化保温至退火过程中，采用双电源多晶硅铸锭炉，所述多晶硅铸锭炉的加热室顶部和侧面分别设有加热器，所述加热器分别电连接有变压器，其顶部热场变压器功率P1与侧面热场变压器功率P2根据自适应控制器调节。本发明通过对长晶过程中温度梯度的精确控制来提高长晶质量，从而使多晶硅铸锭加工生成的电池片的光电转换效率提高0.1%以上；通过对温度的精确控制和能源的合理分配，减少不必要的能源损耗，使耗电量降低10%。

Description

一种双电源多晶硅铸锭工艺

技术领域

本发明属于多晶硅铸锭工艺，具体涉及一种应用于多晶硅铸锭的双电源控制工艺。

背景技术

目前，我国已成为世界能源生产和消费大国，但人均能源消费水平还很低。随着经济和社会的不断发展，我国能源需求将持续增长，针对目前的能源紧张状况，世界各国都在进行深刻的思考，并努力提高能源利用效率，促进可再生能源的开发和应用，减少对进口石油的依赖，加强能源安全。

作为可再生能源的重要发展方向之一的太阳能光伏发电近年来发展迅猛，其所占比重越来越大。根据《可再生能源中长期发展规划》，到 2020 年，中国力争使太阳能发电装机容量达到 1.8GW（百万千瓦），到 2050 年将达到 600GW。预计到 2050 年，中国可再生能源的电力装机将占全国电力装机的 25%，其中光伏发电装机将占到 5%。预计 2030 年之前，中国太阳能装机容量的复合增长率将高达 25% 以上。

太阳能光伏产业的发展依赖于对多晶硅原料的提纯。多晶硅原料的提纯工艺目前主要依赖以下几种工艺：西门子法、硅烷法、气体流化床法和冶金法。以上几种方法都会涉及到多晶硅最终的铸锭工艺，铸锭过程主要分为六个阶段，包括装料抽真空、熔化保温、长晶、退火、降温和开方。

目前，多晶硅铸锭炉内的设计为石英坩埚的顶部和侧部都有石墨加热器，两个加热器连接双电源系统，即分为顶部热场和侧面热场，两个热场的功率分配是按照固定的比例来分配，并且恒定不变，这就使得整个铸锭过程中对于温度的控制不够精确，存在很大的偏差，与工艺要求的温度值不符。这样就造成了铸锭质量的下降以及能源分配不合理的浪费。

发明内容

发明目的：本发明针对不足，提出一种应用于多晶硅铸锭的双电源自适应控制工艺，在铸锭工艺的各个环节中自主分配顶部热场变压器功率 P1 与侧面热场变压器功率 P2，实现功率分配不再是固定值，不再恒定不变，从而提高多晶硅铸锭效率。

技术方案：本发明所述的一种双电源多晶硅铸锭工艺，其特征在于：包括装料填料、抽真空、熔化保温、长晶、退火和降温，所述熔化保温至退火过程中，采用双电源多晶硅铸锭炉，所述多晶硅铸锭炉的加热室顶部和侧面分别设有加热器，所述加热器分别电连接有变压器，其顶部热场变压器功率 P1 与侧面热场变压器功率 P2 的调节按照以下工艺进行：

（1）熔化保温：先采用功率控制模式，通过自适应系统分配功率 P1 ：P2=1 ：1，使得石英坩埚内温度达到多晶硅料的熔化温度，然后采用温度控制模式，通过自适应系统分配功率P1 ：P2=1 ：2 ～ 3.5，控制熔化温度不变进行保温，直至多晶硅料完全熔化；

（2）长晶：在长晶过程中，通过自适应系统分配功率 P1 ：P2=1 ：1 ～ 2.25 ；

（3）退火：在退火过程中，通过自适应系统分配功率 P1 ：P2=1 ：1 ～ 2.5。

作为优选，所述变压器通过电缆与自适应控制柜连接。

作为优选，所述自适应控制柜内设有PLC控制件、电压表及电压控制器。

作为优选，所述抽真空是将多晶硅料装入铸锭炉中的石英坩埚内，然后抽真空至 0.5 ～ 1.0Pa。

有益效果：本发明通过对长晶过程中温度梯度的精确控制来提高长晶质量，从而使多晶硅铸锭加工生成的电池片的光电转换效率提高 0.1% 以上；通过对温度的精确控制和能源的合理分配，减少不必要的能源损耗，使耗电量降低 10%。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明：

实施例1

按照以下工艺进行多晶硅铸锭生产：

（1）装料抽真空：将多晶硅料 800kg 装入铸锭炉中的石英坩埚内，然后抽真空至 0.6Pa。

（2）熔化保温：通入氩气作为保护气，使炉内压强保持在 40kPa，在功率模式下，通过自适应系统分配功率 P1 ：P2=1 ：1，使石英坩埚内温度在 4h 内达到多晶硅料的熔化温度，然后采用温度控制模式，通过自适应系统分配功率 P1 ：P2=1 ：2，在 1550 ～ 1565℃范围内保温 11h，直至硅料完全熔化。

（3）长晶：在保温结束后，通过自适应系统分配功率 P1 ：P2=1 ：1，温度从 1550 ～1565℃经0.5h降低到1430℃开始长晶，然后在22h内由1430℃降低到1405℃，完成长晶过程，整个长晶过程气体压强保持在 600Pa。

（4）退火：通过自适应系统分配功率 P1 ：P2=1 ：1，将多晶硅铸锭在 0.5h 内降温到1310℃并保温 2h，气体压强保持在600Pa。

（5）降温：向铸锭炉内通入循环氩气冷却，压强保持在 600Pa，控制降温速率为60℃ /h，降至 400℃后取出多晶硅铸锭。

（6）开方：将多晶硅铸锭经过切除顶部杂质及四周边角料后，置于开方机中进行开

方。

（7）经检测，由该多晶硅铸锭加工生成的电池片的光电转换效率为 17.8%。

通过对原有单电源设备的改造，年产多晶硅锭由605吨提高至802吨，设备产能提高32.5%，多晶硅锭产品单位能耗由11.3度/kg降低至8.7度/kg，设备满产每年可节约208万度电，折标煤255.6吨。生产出来的高效多晶硅做成电池后，平均转化效率由17.3%提高至17.7%，单片功率由4.19瓦提高至4.25瓦，每年可多发电226万度电，折标煤255.6吨。

该技术是采用由底部自下而上的定向凝铸方法，利用高效的装料方式，通过石墨电极加热及控制隔热笼提升速度来控制其熔化速率，使固态硅缓慢熔化，长晶过程中，通过控制隔热笼的提升速度来控制长晶速率，从而使液态硅进行缓慢长晶，生产硅锭。多晶硅片是太阳能电池的基底材料，铸锭品质的高低直接影响电池片的使用寿命和转化效率。公司目前采用GT-G5（5*5=25锭）铸锭工艺，每炉投料520kg，成品率68%，多晶硅片做成电池后平均转化效率17.2%；采用GT-G6（6*6=36锭）多晶硅铸锭设备节能热场改造后，能有效控制生产过程中温度变化，进而增大晶粒并促使其均匀分布，在只增加20%用电量和月投炉降低1.5炉的基础上，最终可实现单炉投料800kg，成品率69%，平均转化效率17.7%。

其节能热场技术改造前后的数据比对表如下表1所示。技改项目完成后，在只增加20%用电量和月投炉降低1.5炉的基础上，可实现年多晶硅锭产能由605吨提高至802吨，有效提高设备利用效率，产品单位能耗由11.3度/kg降低至8.7度/kg，设备满产每年可节约208万度电。项目完成后可新增产值3645万元，最终做成硅片后可新增销售5733万元，利税570万元。

通过坩埚和加热技术的提升，可以提升多晶硅锭浇铸质量，最终切割后的高效多晶硅片做成太阳能电池后平均转化效率可由17.2%提高至17.5%，按公司年产802吨多晶硅锭可切割成3769万片多晶硅片，制成太阳能电池后平均每年可多发226万度电，这一技术提升不需要额外增加任何投入（电池组件、电站建设投入不需要任何改动），可以产生巨大的经济、社会效益。

表1 节能热场技术改造前后的数据比对表

Figure 2014101763838100002DEST_PATH_IMAGE001

Claims

1.一种双电源多晶硅铸锭工艺，其特征在于：包括装料填料、抽真空、熔化保温、长晶、退火和降温，其特征在于：所述熔化保温至退火过程中，采用双电源多晶硅铸锭炉，所述多晶硅铸锭炉的加热室顶部和侧面分别设有加热器，所述加热器分别电连接有变压器，其顶部热场变压器功率 P1 与侧面热场变压器功率 P2 的调节按照以下工艺进行：

2. 根据权利要求1所述的一种双电源多晶硅铸锭工艺，其特征在于：所述变压器通过电缆与自适应控制柜连接。

3.根据权利要求2所述的一种双电源多晶硅铸锭工艺，其特征在于：所述自适应控制柜内设有PLC控制件、电压表及电压控制器。

4.根据权利要求1所述的一种双电源多晶硅铸锭工艺，其特征在于：所述抽真空是将多晶硅料装入铸锭炉中的石英坩埚内，然后抽真空至 0.5 ～ 1.0Pa。