破解大型硅锭领域内的原料之谜

太阳能行业内所使用的硅锭指的是在高纯度坩埚内精心固化的大块硅料。因为从中所切割出的硅片质量决定了最终太阳能电池的性能，因此，这些硅料的结晶质量备受关注。此种硅锭的制作是十分耗费资金的，几乎占到了最终太阳能电池总成本的三分之一。其中原料成本所占比例最大，但同时，设备折旧、受污染的坩埚、保护性气体、能源及产量损失等问题也同样对最终成本影响颇大。因此，太阳能领域内的硅片生产商热衷于提高设备的生产效率和产能。

逐渐变大的太阳能硅锭

由于生产成本与规模成比例地增长，硅锭的重量也持续不断地增加，从前几年的270kg增加至了现在的700kg。ITRPV在2015年公布的报告预测硅锭重量将在未来的四年内增加至1300kg。在过去，这种重量上的增长主要是通过增加坩埚和铸锭炉的尺寸来实现的。为了进一步对原料荷载进行最大化调整，需要对现有坩埚容量进行尽可能有效的填装，尽量避免原料块之间的空隙。原料块之间的空隙会在融化过程中坍塌，造成产出的硅锭比坩埚所能产出的最大尺寸薄上许多。

就好比一个旅行箱，如果衣服叠得整整齐齐，就可以放很多进去，用经过尺寸优化的原料填装坩埚看可以提高坩埚的荷载。在这里，关键的性能指标是“填充率”，即原料对给定空间的填充能力(也称“填充因子”)。传统硅料的填充率通常在75%一下，这就意味着高达四分之一的可用坩埚空间被浪费。

这一结果能够展示出不同的原料形态及其对填充率的影响。

坩埚装载：原料形态及填充率的拼图

取决于不同的提纯工艺，太阳能用原料硅可通过不同的形态或形状进行分类：西门子多晶硅和其他一些冶金方式(UMG-Si)通常会产出随机形状的原料块。即使多晶硅棒和UMG-Si均能完整地切割成圆柱体或硅砖，这种昂贵的工艺流程并没有获得被广泛应用的动力。而另一方面，流化床反应器(FBR)能够产出尺寸在1-3mm之间的小径颗粒。最后，早期铸锭阶段被筛选掉的材料(如顶部或底部的切割废料，以及破损硅片等)均可进行循环利用，从而降低原料费用。图一为装载了不同类型原料的坩埚。

奥利弗·格拉夫(Oliver Graf)先生作为公司的铸造工艺协调员在三个不同的大陆上主持了现场坩埚填装工作。根据他的经验，如果精心排布的话，成块儿的原料能够达到预分类尺寸材料填充率的73%。但是，格拉夫先生表示，草率的填装会导致更差的填充率，并大幅降低坩埚的装载量。形状规则的整块儿原料能够大幅简化这一流程。举例来说，圆柱形多晶硅原料能够制成蜂窝状形态。由UMG-Si方式制得的砖状原料与现有坩埚的形状更为匹配，因此能够实现更为紧凑的填充效果。在硅棒、硅砖之间的空隙，以及坩埚壁上的缝隙可使用更小的材料进行填充(详见图一)。

流化床反应器所制得的颗粒状材料在这里就显现出了优势：格拉夫先生强调，与块状原料的填充率相比，流化床反应器制得的颗粒凭借其优秀的“流动性”，能够填充其他原料类型之间出现的空隙。他预计，通过将颗粒状原料和块状原料进行优化组合，可实现高达80%的填充率(详见图二)。除了能够提高产率外，这一混合方式同时还能够降低填充时间(参见REC资料)。格拉夫先生指出，传统的解决原料间松散问题的方式，如加压、震动等，无法应用在太阳能坩埚上。“坩埚本身或表面涂层的损坏可导致硅锭出现裂痕，(震动)有可能导致融化后的硅料溢出——简直就是祸害产量的最佳方式!”格拉夫先生表示。

当被问及原料的最佳形态时——在不考虑成本的条件下——格拉夫先生的描述是与坩埚形状完全吻合的大块原料。坩埚的填装可通过将定制好的原料块自动放置在坩埚中来完成。循环利用材料、颗粒原料、小块材料等额外的填充原料可被用来对坩埚壁与原料间的缝隙进行填充。这种方式不仅能够使预期填充率达到接近100%的水平，同时还能大幅缩短填充时间。此外，此种填装类型还是实现全面自动化系统过程中的重要一步。与传输带相结合后，可将填装好的坩埚平稳地运至/运出铸锭炉，这样，铸锭工艺可在不远的未来成为仅需工人极少的操作就可以实现的流程，格拉夫先生这样畅想。

回到当下的现实中，优化原料形状是提高坩埚装载率和设备生产力的简单方式。从某种程度上来说，对原料进行预分拣和形状拼凑极有可能会在大多数生产线上得以部分实现。但是，目前来看，通过原料来提高填充率并无法在市场上获得很多溢价空间。这样就使得FBR颗粒作为块状原料的补充形式，更具经济效益和技术优势。

对坩埚填充率的进一步提高预计可通过两种方式来实现：将原料制成较大的块状，或制成优化后的形状。而这两种形式可能是能够进行堆叠的砖状材料，或是根据坩埚尺寸进行切割的单独整块原料。从技术上来说，多晶硅和UMG-Si原料均可制成大型的几何形状原料，事实上，Elkem太阳能公司已经在多年前就开始提供相关产品了。但是，通过线锯来对硅块进行切割塑性是一项成本极高的工艺。这使得此种原料几何形状的未来并不明确，除非切割技术会出现突破，可获得相类似的原料成品，或者原料能够直接根据太阳能坩埚的形状进行优化制定。

随着填充率的增加，还需要注意的是填充紧凑的原料所产生的热膨胀对坩埚本身的损坏。此外，结晶工艺也需要针对更大的填充量进行优化。下游工艺的产能(带锯和线锯等)也需要进行调整，以适应所铸得的更高的硅锭。

产量的提升

填充率是坩埚装载和硅锭产量的一个重要性能指标。通过将不同类型的原料相结合，如大型块状原料和颗粒状原料等，可将填充率提高10%或更多。据估算，通过将原料制成砖状或根据坩埚尺寸进行定制(已经能够通过UMG-Si等工艺实现)，能够进一步获得10%的填充率。