一炉四锭的多晶硅提纯铸锭炉

2011年3月，上海普罗新能源有限公司在SNEC展会上推出了RDS4.6一炉四锭型多晶硅铸锭炉，被SNEC授予“2011年度全球光伏行业十大亮点”太瓦级钻石奖。目前，DSC4.6型铸锭炉为世界上单台产能最大、单位能耗最少、同比产能下投资最省的多晶硅铸锭炉。该炉型也自2011年起，连续三年获得SNEC的太瓦级钻石奖。 　　但是，由于金融危机和欧美双反的影响，上海普罗的一炉四锭炉的销售并不顺利。到目前为止，仅在江苏中强光伏科技有限公司销售了五台。而中强公司在2011~2012年间进行了大约一年的生产后，因为光伏产业寒冬的到来，停止了生产。后来又因为资金的问题，直到2013年9月，才有开始生产。 　　因此，在这期间，上海普罗的一炉四锭的炉子，似乎成为了多晶硅江湖上的一个传说。凡是没有亲眼见过这台炉子的人，尤其是业内人士，都不能相信也不敢相信；甚至有的看到了炉子，但因为没有亲眼见过其生产状况，也不相信，认为只是一个躯壳，不可能进行铸锭生产。这台炉子之所以令人难以置信的主要原因，就是这种一炉四锭的炉子，欧洲、美国、日本都没有，因此，国人很难相信一个名不见经传的中国公司能够做出世界上第一台这样的炉子。 　　现在，光伏市场开始从寒冬向早春过渡，而且国内的产能过剩缓解，铸锭环节甚至出现了产能不足，因此，有必要在这个时间向大家对这个一炉“四胞胎”的炉型进行一个介绍，已飨同行。 　　一、一炉四锭炉的演变 　　上海普罗是从2009年开始一炉四锭的铸锭炉研发的。研究一炉四锭的出发点是，在提高单炉产量的同时，尽量利用现有型号的坩埚和开方设备，毕竟，能装2吨硅料的坩埚至今也没有诞生，可能今后也不会有，而开方机，如果从现有的G6扩大到G7、G8也不是简单的事情。 　　普罗是以冶金法多晶硅闻名于同业的。冶金法多晶硅的最后一道工序必然是定向凝固。因此，普罗很早就以提纯铸锭炉的工艺作为提纯的最后一道工序。早在2008年四月，上海普罗就成功使用自行研制的RDS3.0系列铸出了多晶硅锭。 　　普罗将一炉四锭的提纯铸锭炉的型号定为RDS4系列。第一代的单炉额定产量为1800~2000公斤，型号为RDS4.5系列；在G6坩埚和开方设备成熟后，普罗于2012年推出了RDS4.6系列，采用G6坩埚，单炉产量额定为2640公斤，最高可达3200公斤。 　　除了针对冶金法生产的太阳能级硅料进行提纯铸锭外，在2011年到2013年的光伏寒冬季节，上海普罗为了帮助使用原生料多晶硅铸锭的客户降低成本，主要针对多晶硅铸锭的边皮、顶皮料，单晶硅的锅底料的提纯铸锭开发了特殊的工艺。在一炉四锭这种方式的本身已经降低电耗和气耗的成本的基础上，再通过回收料的提纯和再生，进一步降低铸锭厂家的成本，从而降低光伏片和组件成本。 　　下面，介绍一下这个“四胞胎”铸锭炉的一些性能和特点，和大家做一个分项，看看能否回答大家的一些疑问。 　　二、 RDS4系列多晶硅提纯铸锭炉的性能 　　RDS4.5炉型是世界上第一台投入商业化使用的一炉四锭的多晶硅提纯铸锭炉，由于采用四个坩埚，单炉产量和年产能均相当于普通使用G5坩埚的单锭炉型的四倍。 　　RDS4.5采用上海普罗真空提纯工艺，可以在铸锭的同时对硅料进行提纯。这种技术可使得用户在铸锭的时候，回收铸锭的顶皮、边皮料混掺使用，也可混掺纯度较低多晶硅料，并达到与使用100%原生硅料完全一致的晶体质量。因此，该炉型能够大大降低用户的生产成本，为用户提供增值的附加效益。 　　采用上海普罗专利开发的热场与温度控制工艺，RDS4.5提纯铸锭综合能耗降低到每公斤6千瓦时以下。同时，所铸硅锭长晶质量高，晶柱完整，晶粒平均横向尺寸大于10mm；电阻率均匀且一致，少数载流子寿命可高至10微秒以上，平均可切片率可达72%以上。而独特的热场设计使用户在用相同坩埚时的漏硅率大大降低，减少了生产事故发生率，提高了用户的设备利用时间，降低了生产成本。由于单炉产量大，采用RDS4.5炉型，用户所需的生产车间面积和生产工人人数均比采用同等规格的普通铸锭炉减少一半以上。 　　RDS4.6四锭铸锭炉是上海普罗在RDS4.5炉型基础上，针对G6坩埚开发的新炉型。该炉型目前是世界上具有最大的单炉铸锭产量的炉型。RDS4.6使用G6坩埚，一次装料量可达到2600-3600公斤。单炉产量和年产能均相当于普通使用G6坩埚的单锭炉型的四倍。 　　但是，从RDS4.5 到RDS4.6的变化决不仅仅在坩埚的容量上。后者对炉底的冷却方式进行了进一步改进，采用二级冷却，大大提高了四个坩埚底部的温度均匀性和降温的可控性。热场的进一步改变，使得铸锭综合能耗降低到每公斤5千瓦时以下；氩气消耗则可下降了80%，只相当于普通单锭铸锭炉的单耗的20%。 　　三、 一炉四锭多晶硅提纯铸锭炉的优势 　　炉子越大，单位能耗越低，这是大家都知道的。这也是为什么RDS4系列铸锭成本低的主要原因，但是，RDS4系列的成本低，还有许多其它的原因，可能很多人都不知道；除了铸锭成本低外，RDS4 系列铸锭炉也还有许多其它的优势，这里也与同行们分享一下。 　　3.1 成本低 　　RDS的铸锭成本低，是从两个方面体现的。 　　一个是，单位产能炉子本身的造价低。这不仅仅是因为一台四锭炉的产能是单锭炉的四倍，但一台四锭炉的价格绝对不到四台单锭炉的价格；还因为，同样产能的场地占用面积小，将减少厂房和设备基础的造价；配电容量的降低，将降低高低压配电系统的成本；还有氩气消耗的降低，会降低氩气制备或供应系统的造价；冷却水流量的降低，将降低冷却水循环和纯水制备系统的固定投入。这些各项因素加起来，将能够大大减少用户对一个工厂的投资。初步测算，对于一个年铸锭产能为4000吨的多晶硅铸锭车间来说，所有这些造价将能够使用户的投资减少4000万元左右。 　　第二，是在铸锭生产过程中的生产成本低。而生产成本也绝不仅仅体现在电耗和氩气消耗的大幅降低上，而是因为，同样产能的炉子的数量少了，操作工人的数量也就减少了，维护的成本也减少了。在目前市面上铸锭成本26000元/吨的平均水平下，考虑到所有的生产成本和折旧，采用RDS4.6多晶硅提纯铸锭炉，多晶硅的铸锭成本仅有单锭铸锭炉的60%，平均每吨产量可降低成本1万元左右，也就是说，对一个年产5000吨的铸锭工厂来说，每年可以增加5000万元的利润。这个利润，在现在的市场价格下，将决定着一个铸锭企业的生死。 　　3.2 漏硅率降低 　　RDS4系列的多晶硅提纯铸锭炉，采用的上下两面加热，与常规的四面加热辅以顶部加热的结构不同。这样的设计，使得在熔料时，热量可以从顶部不需要经过坩埚而直接传导到硅料。而在坩埚的质量没有问题的情况下，漏硅的主要原因是硅料熔化后，石英与硅的反应造成的。而石英与坩埚的反应速率，是和温度成指数关系的。在1500度附近的温度下，坩埚温度每提高100度，反应速率将上升10倍之多。 　　例如，在普通单锭炉的四面加热的方式下，如果硅料熔化后，硅液顶部的中心温度要达到1490度的话，坩埚侧面在加热过程中的温度将达到近1600度。这样，坩埚与硅液的反应速率大大增加，很容易导致漏硅。 　　在单锭炉使用G5坩埚的情况下，工艺设计基本上通过限制升温速度，防止功率过大导致坩埚侧面温度过高。但在G6坩埚出现后，许多厂家在进行改造的时候，沿用了G5的炉体，这样，由于炉体的尺寸限制，坩埚加大导致加热体与坩埚的距离大大缩短，这导致坩埚受热强度增加，温度要大大上升。这就是，为什么许多G6坩埚的炉子漏硅率大大上升的原因。 　　RDS4.6控制软件操作主界面 　　而上海普罗的RDS4系列的铸锭炉，熔化硅料主要是通过顶部的加热体进行的，热量是通过顶部直接辐射到硅料上，不需要经过坩埚。因此，坩埚侧壁的温度大大降低。而坩埚底部的加热体，仅将温度保持在1450度左右，这是绝对不可能导致漏硅的坩埚温度。 　　这就是，为什么RDS4 系列炉型漏硅率低的原因。 　　有人会提出疑问，由于采用四个坩埚，如果任何一个坩埚发生漏硅，将影响另外三个锅的生产。这个疑问很自然，也是普罗从四锭炉的设计伊始就最为关心的问题。普罗在这方面，在进行RDS4.6炉型设计时，上海普罗通过对坩埚支撑平台进行改进，采用四个独立平台，任何一个坩埚漏硅都不会影响另外三个的漏硅，此外，普罗还对包括预警、报警、漏硅防护等多种措施，最大限度的较少了漏硅的影响。后者，也是RDS4.6与RDS4.5炉型相比的主要改进之一。 　　3.3 铸锭质量的提高 　　目前多晶硅铸锭向大晶粒方向发展，以提高光伏电池的转换效率。形成大晶粒的关键因素，是在底部开始结晶成核的过程中，保持晶核形成初期的横向增长。这需要在形成过冷结晶的条件下，控制垂直温度梯度。由于RDS4系列采用底部加热，而不是从四周加热向中间传导，因此，底面温度的温差非常小，理论上可以达到完全等温。而降温时，通过底部热开关和底部加热体的双重控制，可以保证底部温度按照工艺的要求严格同步下降，这就是为什么RDS4系列铸锭炉的晶体很大，基本上保证在20毫米以上，而且还常常出现100毫米以上的晶粒。 　　3.4 回收料的提纯 　　每个铸锭厂家都不可避免地产生大量的边皮料、顶皮料和底皮料等，统称为回收料。按照铸锭切片率为70%的情况下，一个5000吨产能的工厂，一年会产生1500吨。 　　在光伏不断要求降低成本的市场压力下，回收料的使用越来越得到大家的重视。一般的做法是，将底皮打磨后，可以直接投料。边皮则根据情况去除外表层，也有大部分可以直接投料。比较难以回收的是顶皮料。通常，通过电阻率测试，划线，在线以下的，用来直接投料，而线上的，就不能再循环使用了。在经过上述的循环使用后，不能循环的硅料仍达到10%左右。 　　上海普罗是以冶金法多晶硅著称于世的公司。而多晶硅的提纯正是上海普罗的强项。针对回收料的杂质情况，上海普罗设定了特殊的工艺，专门处理顶皮料和边皮的差料，这样可以变废为宝，为用户带来巨大的效益。仍以一个五千吨产能的铸锭厂来说，一年内产生的无法循环的回收料大约500吨，如果做为废料销售，价格大约在2~4万元/吨，而如果使用普罗的炉子加工后，能够继续循环，按照提纯成本3万元/吨计算，这批硅料提纯后再循环使用的价格达到每吨16万元，也就是每吨增加了9~10万元的收益。这样，一年仅回收料的提纯，就可以增加5000万元的效益。 　　由上可见，采用普罗的DSC系列炉子，不仅固定资产投资可以大大减少，而且在后期的生产运营中也可以使得厂家具备成本上的明显优势。更重要的是，能够提高晶体质量，进而提高效益。通过漏硅率的降低，减少用户的事故风险。而对回收料的提纯，能够变废为宝，进一步增加用户的效益。 　　直到现在，仍旧有许多业内人士不相信多晶硅铸锭能够一炉铸出四个锭。上海普罗非常欢迎他们到上海普罗或者江苏中强来参观一下，看看炉子，看看生产状况。相信大家看到以后，会改变很多以前的惯性思维的。 　　在目前光伏市场低迷的情况下，一次性投资将会缩短设备的投资回报期限，增强用户承受市场风险的能力；生产成本和事故风险的降低将会为多晶硅铸锭用户减少或然损失，降低成本，使得铸锭厂家能够在以同行难以赢利甚至亏损的生产价格下进行铸锭加工生产，保持良好的赢利状态。这就是对用户市场竞争力的提高，也是一个铸锭企业在光伏瞬息万变的市场状况下能够生存并赢利的重要保障。