DDL-500型多晶硅铸锭炉的开发与设计

赵雪峰

(中国电子科技集团公司第二研究所，山西 太原 030024)

多晶硅铸锭炉作为光伏电池生产过程中的重要设备，为太阳能电池生产提供着稳定、大量、廉价的多晶硅硅锭。随着生产成本的激烈竞争，生产效率的要求进一步提高，对硅锭的尺寸要求也越来越大，硅锭的质量随之急剧增加。随着硅锭的增大，成品硅锭的出片尺寸变得更大，出片率得到了提高，有效利用率明显增加。因此，研制开发更大尺寸的多晶硅铸锭炉，对光伏电池的生产成本有着明显降低，对光伏产业的发展起着重要的增速作用。

1 多晶硅铸锭炉的开发分析

1.1 基础分析

DDL-240 多晶硅铸锭炉为我所自行设计制造的第一代铸锭炉，该型铸锭炉设计成熟，并作了大量的试验，性能稳定，运行良好。但是由于铸锭质量小，铸锭规格尺寸小，已不能满足现在的市场需求。因此，在该设备基础上，进行再次开发设计，研制能满足市场需求，结构简单可靠，能提供更大质量、尺寸的DDL-500型铸锭炉。

DDL-240 多晶硅铸锭炉的主要结构及技术参数：

主要结构：真空圆形双层不锈钢水冷壳体，下部装料，两级真空系统，石墨加热体，硬质石墨保温碳毡，方形隔热笼体

主要技术参数：极限真空度2.67 Pa，加热功率175 kVA，最高温度1 560℃，额定铸锭质量240 kg

生产周期：每炉约50 h

1.2 目标分析

此次设计开发的目标为DDL-500 多晶硅铸锭炉，对该型铸锭炉的设计要求及技术参数：

主要结构：真空圆形双层不锈钢水冷壳体，下部装料，两级真空系统，石墨加热体，硬质石墨保温碳毡，方形隔热笼体。

主要技术参数：极限真空度2.67 Pa，加热功率175 kVA，最高温度1 560℃，额定铸锭质量500 kg

生产周期：每炉约65～70 h

DDL-500 多晶硅铸锭炉设计要求单次装炉硅料质量不小于500 kg，生产周期不大于70 h。因此，相对原有多晶硅铸锭炉有如下需要考虑,存在的问题：(1)硅锭重量的增加导致石英坩埚的增大，从而引起热场的增大，如何在现有炉腔空间内增大热场空间满足要求；（2）热场的增大带来更大的加热空间，原加热体的加热结构及方式能否满足需求；(3)随着热场结构及加热结构形式的变化，如何保证硅液的熔化及长晶时间，满足生产周期要求；（4）其它相关的组件能否满足因质量提升带来的其它问题。

1.3 改进方案

通过对DDL-500多晶硅铸锭炉及DDL-240 多晶硅铸锭炉进行仔细分析论证后，拟定的改进方案为：（1）保持DDL-240 多晶硅铸锭炉炉体设计结构及真空系统；（2）保持DDL-240 多晶硅铸锭炉的加热功率；（3）保持DDL-240 多晶硅铸锭炉充气、温度检测结构；（4）保持DDL-240 多晶硅铸锭炉的升降系统；（5）对石墨加热体进行重新设计；（6）对隔热笼及隔热层进行设计改进；（7）对DS块及下保温结构进行设计改进。

1.3.1 石墨加热体

DDL-240 多晶硅铸锭炉的石墨加热体为四周加热，加热带均匀布置，加热的辐射面相对较小，在原有加热功率基础上，如果增大坩埚的尺寸及装料的质量，可能会导致坩埚内的硅料熔化缓慢或熔化不完全，影响硅料的熔化时间，造成熔化时间明显增加。而硅料的熔化不完全，会对硅液的长晶速率造成影响，无法保证硅液的稳定生长过程，从而影响生成的硅锭质量，影响成品率。因此，需要对石墨加热体重新开发设计。

1.3.2 隔热层及隔热笼

由于加热空间的增大，加热器结构形状的完全改变，导致原隔热层的空间需要增加，隔热板的结构也要符合加热器的改动，从而对固定隔热层的隔热笼提出了新的要求，既要保证能提供足够的空间，又要保证能满足加热体的装配要求。因此，隔热笼除了沿用原有的方形型式外，焊接结构的隔热笼已由于长期使用的变形较大，已不能满足要求，需要重新设计隔热笼的结构。

1.3.3 DS块及下保温结构

因铸锭质量的增加，石英坩埚的增大，会对硅液的长晶速率产生较大影响，如何去保证硅液固液界面的稳定生成，如何去保证长晶速率的平稳，需要对DS块及下部的保温方式重新设计改进。

2 DDL-500 多晶硅铸锭炉实施措施

通过上述的分析，对提出需要重新开发设计的内容进行试验、论证后，提出具体的设计方案。

2.1 石墨加热体结构设计

在加热功率保持不变的情况下，由于工料质量加大，采用单一的四周侧加热会引起熔化的缓慢及不均匀，延长熔化的时间。因此，对加热体进行重新设计。新的加热器由原来的四面加热改为五面加热，增加顶面加热器，对硅料从顶部进行加热，使硅料能得到充分的热量，并对硅液形成一个有效的自下而上的沸腾状循环，将未熔化的硅料从底面上浮到顶部后获得足够的热量，加速熔化，通过这种反复的循环，使得硅料的熔化更加完全、充分，同时也缩短了熔化时间，保证了硅液长晶时的液面温度。

加热器具体的结构设计如图1所示。

图1 加热器设计改进

DDL-500 多晶硅铸锭炉的加热器四周加热带首尾相连，与调压器的3个输出端连接，顶部加热带也采用首尾相连，与调压器的3个输出端连接，形成2个△并联结构，既保证了功率要求，也提高了加热的辐射面积，保证了加热的可靠性。

2.2 隔热笼及隔热层的设计

由于隔热笼的增大，所有的隔热板均增大以符合隔热笼尺寸，隔热层的厚度不增加。隔热笼的尺寸增大，如仍采用原有的焊接结构，无法保证焊接加工后的外形尺寸及变形，在以后的使用过程中，由于温度的原因，会加大变形量，导致整体变形，严重的话会影响加热器无法正常工作，甚至导致损坏热场，另外隔热笼的严重变形会导致漏热严重，无法正常生产。

因此，将隔热笼作全新设计处理，将焊接机构改为螺栓连接结构，增大隔热笼的宽度尺寸及高度尺寸，同时将4 角做切角处理，最大化利用炉腔内空间，同时也增加了热场空间，以满足500型石英坩埚的空间要求。各隔热框架均采用不锈钢螺钉连接，避免了焊接所产生的应力变形，有效地减小了使用过程中的热变形，保证了热场的稳定性。隔热笼具体结构设计如图2所示。

图2 隔热笼设计对比

2.3 DS块及下保温结构的设计

DS块除了作为物料的承放平台外，更是重要的固液转换控制台，通过DS块有效保证硅液底部的温度，稳定固液界面的匀速上升，从而使得长晶过程变得平稳。通过将原有的方形DS块改进为现在的凸台形DS块，并且增加上下石墨碳毡保温板，有效控制了吸热、散热量，将增加后物料的热量能够均匀散出，形成稳定的由下而上的长晶固液界面，从而有效地稳定整个长晶过程。

DS块及下保温结构设计如图3所示。

图3 DS块设计对比

3 设计开发结果

DDL-500 多晶硅铸锭炉设计开发完成后，通过投料试验，满载试验，取得了良好的效果，铸锭质量在500 kg 时，生产周期可控制在72 h 以内，铸锭质量最大660 kg 时，生产周期在90 h 以内，完全达到和满足了设计生产要求。

4 结束语

作为光伏产业链中的基础设备，DDL-500 多晶硅铸锭炉在实际的连续生产过程中，运行稳定可靠，有效地降低了生产成本，提高了生产效率，为光伏产业的发展提供了廉价、必要的工业设备。

[1]陈国红.多晶硅铸锭炉加热室的设计[J].电子工业专用设备，2007（7）：36-39.

[2]达道安.真空设计手册-修订版[M].北京：国防工业出版社，1995.

[3]王秉铨.工业炉设计手册-2 版[M].北京：机械工业出版社，2004.