DDL-500型多晶硅鑄錠爐的開發與設計

趙雪峰

(中國電子科技集團公司第二研究所，山西 太原 030024)

多晶硅鑄錠爐作為光伏電池生產過程中的重要設備，為太陽能電池生產提供著穩定、大量、廉價的多晶硅硅錠。隨著生產成本的激烈競爭，生產效率的要求進一步提高，對硅錠的尺寸要求也越來越大，硅錠的質量隨之急劇增加。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，研制開發更大尺寸的多晶硅鑄錠爐，對光伏電池的生產成本有著明顯降低，對光伏產業的發展起著重要的增速作用。

1 多晶硅鑄錠爐的開發分析

1.1 基礎分析

DDL-240 多晶硅鑄錠爐為我所自行設計制造的第一代鑄錠爐，該型鑄錠爐設計成熟，并作了大量的試驗，性能穩定，運行良好。但是由于鑄錠質量小，鑄錠規格尺寸小，已不能滿足現在的市場需求。因此，在該設備基礎上，進行再次開發設計，研制能滿足市場需求，結構簡單可靠，能提供更大質量、尺寸的DDL-500型鑄錠爐。

DDL-240 多晶硅鑄錠爐的主要結構及技術參數：

主要結構：真空圓形雙層不銹鋼水冷殼體，下部裝料，兩級真空系統，石墨加熱體，硬質石墨保溫碳氈，方形隔熱籠體

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

生產周期：每爐約50 h

1.2 目標分析

此次設計開發的目標為DDL-500 多晶硅鑄錠爐，對該型鑄錠爐的設計要求及技術參數：

主要結構：真空圓形雙層不銹鋼水冷殼體，下部裝料，兩級真空系統，石墨加熱體，硬質石墨保溫碳氈，方形隔熱籠體。

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

生產周期：每爐約65～70 h

DDL-500 多晶硅鑄錠爐設計要求單次裝爐硅料質量不小于500 kg，生產周期不大于70 h。因此，相對原有多晶硅鑄錠爐有如下需要考慮,存在的問題：(1)硅錠重量的增加導致石英坩堝的增大，從而引起熱場的增大，如何在現有爐腔空間內增大熱場空間滿足要求；（2）熱場的增大帶來更大的加熱空間，原加熱體的加熱結構及方式能否滿足需求；(3)隨著熱場結構及加熱結構形式的變化，如何保證硅液的熔化及長晶時間，滿足生產周期要求；（4）其它相關的組件能否滿足因質量提升帶來的其它問題。

1.3 改進方案

通過對DDL-500多晶硅鑄錠爐及DDL-240 多晶硅鑄錠爐進行仔細分析論證后，擬定的改進方案為：（1）保持DDL-240 多晶硅鑄錠爐爐體設計結構及真空系統；（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、溫度檢測結構；（4）保持DDL-240 多晶硅鑄錠爐的升降系統；（5）對石墨加熱體進行重新設計；（6）對隔熱籠及隔熱層進行設計改進；（7）對DS塊及下保溫結構進行設計改進。

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，加熱的輻射面相對較小，在原有加熱功率基礎上，如果增大坩堝的尺寸及裝料的質量，可能會導致坩堝內的硅料熔化緩慢或熔化不完全，影響硅料的熔化時間，造成熔化時間明顯增加。而硅料的熔化不完全，會對硅液的長晶速率造成影響，無法保證硅液的穩定生長過程，從而影響生成的硅錠質量，影響成品率。因此，需要對石墨加熱體重新開發設計。

1.3.2 隔熱層及隔熱籠

由于加熱空間的增大，加熱器結構形狀的完全改變，導致原隔熱層的空間需要增加，隔熱板的結構也要符合加熱器的改動，從而對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，焊接結構的隔熱籠已由于長期使用的變形較大，已不能滿足要求，需要重新設計隔熱籠的結構。

1.3.3 DS塊及下保溫結構

因鑄錠質量的增加，石英坩堝的增大，會對硅液的長晶速率產生較大影響，如何去保證硅液固液界面的穩定生成，如何去保證長晶速率的平穩，需要對DS塊及下部的保溫方式重新設計改進。

2 DDL-500 多晶硅鑄錠爐實施措施

通過上述的分析，對提出需要重新開發設計的內容進行試驗、論證后，提出具體的設計方案。

2.1 石墨加熱體結構設計

在加熱功率保持不變的情況下，由于工料質量加大，采用單一的四周側加熱會引起熔化的緩慢及不均勻，延長熔化的時間。因此，對加熱體進行重新設計。新的加熱器由原來的四面加熱改為五面加熱，增加頂面加熱器，對硅料從頂部進行加熱，使硅料能得到充分的熱量，并對硅液形成一個有效的自下而上的沸騰狀循環，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，通過這種反復的循環，使得硅料的熔化更加完全、充分，同時也縮短了熔化時間，保證了硅液長晶時的液面溫度。

加熱器具體的結構設計如圖1所示。

圖1 加熱器設計改進

DDL-500 多晶硅鑄錠爐的加熱器四周加熱帶首尾相連，與調壓器的3個輸出端連接，頂部加熱帶也采用首尾相連，與調壓器的3個輸出端連接，形成2個△并聯結構，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計

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構，無法保證焊接加工后的外形尺寸及變形，在以后的使用過程中，由于溫度的原因，會加大變形量，導致整體變形，嚴重的話會影響加熱器無法正常工作，甚至導致損壞熱場，另外隔熱籠的嚴重變形會導致漏熱嚴重，無法正常生產。

因此，將隔熱籠作全新設計處理，將焊接機構改為螺栓連接結構，增大隔熱籠的寬度尺寸及高度尺寸，同時將4 角做切角處理，最大化利用爐腔內空間，同時也增加了熱場空間，以滿足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，避免了焊接所產生的應力變形，有效地減小了使用過程中的熱變形，保證了熱場的穩定性。隔熱籠具體結構設計如圖2所示。

圖2 隔熱籠設計對比

2.3 DS塊及下保溫結構的設計

DS塊除了作為物料的承放平臺外，更是重要的固液轉換控制臺，通過DS塊有效保證硅液底部的溫度，穩定固液界面的勻速上升，從而使得長晶過程變得平穩。通過將原有的方形DS塊改進為現在的凸臺形DS塊，并且增加上下石墨碳氈保溫板，有效控制了吸熱、散熱量，將增加后物料的熱量能夠均勻散出，形成穩定的由下而上的長晶固液界面，從而有效地穩定整個長晶過程。

DS塊及下保溫結構設計如圖3所示。

圖3 DS塊設計對比

3 設計開發結果

DDL-500 多晶硅鑄錠爐設計開發完成后，通過投料試驗，滿載試驗，取得了良好的效果，鑄錠質量在500 kg 時，生產周期可控制在72 h 以內，鑄錠質量最大660 kg 時，生產周期在90 h 以內，完全達到和滿足了設計生產要求。

4 結束語

作為光伏產業鏈中的基礎設備，DDL-500 多晶硅鑄錠爐在實際的連續生產過程中，運行穩定可靠，有效地降低了生產成本，提高了生產效率，為光伏產業的發展提供了廉價、必要的工業設備。

[1]陳國紅.多晶硅鑄錠爐加熱室的設計[J].電子工業專用設備，2007（7）：36-39.

[2]達道安.真空設計手冊-修訂版[M].北京：國防工業出版社，1995.

[3]王秉銓.工業爐設計手冊-2 版[M].北京：機械工業出版社，2004.