- 多晶硅錠定向凝固工藝
- 硅錠生長(zhǎng)的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)
用于制造太陽(yáng)能硅片的多晶硅錠的生長(zhǎng)是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的工藝。硅錠生長(zhǎng)工藝的目標(biāo)在于優(yōu)化硅錠合格率（所生產(chǎn)的可制成硅片的合格材料數(shù)量）和產(chǎn)出，并最終生產(chǎn)出可制成高效電池的材料，從而實(shí)現(xiàn)盈利豐厚的運(yùn)營(yíng)結(jié)果。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，硅錠生長(zhǎng)工藝需要進(jìn)行嚴(yán)格監(jiān)控，并需對(duì)定向凝固爐在結(jié)晶工藝期間的無(wú)數(shù)種變量加以有效控制。
現(xiàn)在有這樣一種趨勢(shì)認(rèn)為“硅錠越大越好”，越大的一定就越好嗎？本文將對(duì)一些與更大尺寸硅錠的生長(zhǎng)及其對(duì)硅錠生長(zhǎng)運(yùn)營(yíng)的經(jīng)濟(jì)影響有關(guān)的難題進(jìn)行探討。
了解定向凝固工藝
用于生產(chǎn)太陽(yáng)能硅片的原料硅在硅錠生長(zhǎng)工藝期間以一種高度控制的方式進(jìn)行生長(zhǎng)，從而達(dá)到優(yōu)化晶粒結(jié)構(gòu)的目的，并確保雜質(zhì)在結(jié)晶至多晶硅錠中以前就被分離出熔化階段。更好的晶粒結(jié)構(gòu)和更少的雜質(zhì)意味著更高品質(zhì)的硅錠，從而可令太陽(yáng)能電池獲得更高效率，而多晶硅爐兆瓦產(chǎn)量也會(huì)更高。
多晶硅錠的生產(chǎn)是一個(gè)批量工藝，因此，每批處理更多材料以降低單位成本具有十分重要的經(jīng)濟(jì)意義。過(guò)去數(shù)年中，具有生產(chǎn)價(jià)值的鑄錠爐產(chǎn)能的增長(zhǎng)使得硅錠尺寸已從240千克（第4代）左右增加至450千克左右（第5代）。相較于硅錠尺寸的不斷增加，硅錠高度仍然保持在25至26厘米間的一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的數(shù)值。
最近，數(shù)個(gè)鑄錠爐供應(yīng)商聲稱自己已生產(chǎn)出更大尺寸的硅錠。這是否僅僅是向著更大硅錠目標(biāo)前進(jìn)的道路上的下一步呢？是否存在一個(gè)最佳的硅錠尺寸？
硅錠生長(zhǎng)經(jīng)濟(jì)性
硅錠生長(zhǎng)工藝是一種資本密集型工廠運(yùn)營(yíng)。如今的高產(chǎn)量硅片生產(chǎn)工廠可能會(huì)在生產(chǎn)中用到多達(dá)100臺(tái)的長(zhǎng)晶爐。組件價(jià)格的持續(xù)下降正通過(guò)整個(gè)太陽(yáng)能生產(chǎn)價(jià)值鏈對(duì)利潤(rùn)率產(chǎn)生重大影響，這就要求生產(chǎn)商能夠確保運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的每一個(gè)環(huán)節(jié)均能提供價(jià)值回報(bào)。盡管更大的硅錠尺寸看似是一個(gè)從固定資產(chǎn)設(shè)備投資中獲得更多價(jià)值的解決方案，但硅片生產(chǎn)商仍然應(yīng)該在投資生產(chǎn)更大硅錠所需的設(shè)備前仔細(xì)考慮能夠驅(qū)動(dòng)最大價(jià)值的四個(gè)關(guān)鍵經(jīng)濟(jì)因素，即每千克產(chǎn)品的銷售收入、硅錠合格率、生產(chǎn)能力以及設(shè)備價(jià)格。
隨著硅錠尺寸的寬度從數(shù)年前的55x55厘米穩(wěn)定增加至如今84x84厘米的標(biāo)準(zhǔn)，其高度并未發(fā)生相應(yīng)增長(zhǎng)。更寬的硅錠顯然可以生產(chǎn)出更多可制成硅片的合格硅。在用上述四項(xiàng)關(guān)鍵經(jīng)濟(jì)因素加以分析后，可以看到長(zhǎng)晶爐從第4代（240千克）至第5代（450千克）的過(guò)渡為生產(chǎn)商帶來(lái)了可衡量的價(jià)值增長(zhǎng)。但是，硅錠可以生長(zhǎng)到的寬度也許存在一個(gè)極限，使得合格材料的產(chǎn)能增加值逐步下降，直至低到硅錠生長(zhǎng)運(yùn)營(yíng)成本增加的臨界點(diǎn)之下。
隨著硅錠變得越來(lái)越寬，加熱動(dòng)力學(xué)也面臨著更多挑戰(zhàn)，因?yàn)槿廴诠璧闹行狞c(diǎn)和加熱室周邊熱區(qū)加熱部件之間的距離在不斷增加。這個(gè)距離越大，越可能導(dǎo)致固液界面形狀不均衡，因此會(huì)令硅錠邊到邊的晶體生長(zhǎng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)最佳效果。而硅錠合格率也可能會(huì)因此而下降，因?yàn)椴牧腺|(zhì)量不理想使得更多百分比的硅錠無(wú)法轉(zhuǎn)化為硅片。為了解決這個(gè)問(wèn)題，生產(chǎn)商可以增加硅錠生長(zhǎng)時(shí)間，但這樣一來(lái)生產(chǎn)力會(huì)因?yàn)樯a(chǎn)能力的下降而受到不利影響。
定向凝固爐供應(yīng)商也在探索使硅錠長(zhǎng)得更高的方式，以達(dá)到每批生產(chǎn)更多可制成硅片的硅錠重量的目的。由于硅錠的高度受到爐子加熱區(qū)的最大腔體尺寸的限制，因此必須對(duì)設(shè)備加以改造。和生長(zhǎng)更寬的硅錠類似，這種方法聽(tīng)起來(lái)十分簡(jiǎn)單直觀，但生產(chǎn)更高的硅錠并非不存在難題。
因?yàn)槎ㄏ蚰虪t是從坩堝底部抽取熱量，因此增加硅錠高度意味著熱量必須在額外的材料中經(jīng)歷更長(zhǎng)的距離。如果熱量抽取得太快，硅錠頂部和底部之間的溫度梯度就會(huì)增加。這種情況會(huì)使得硅錠發(fā)生龜裂，因而令硅錠合格率下降。此外，熱量在更高的硅錠中經(jīng)歷的額外時(shí)間可能會(huì)增加批次工藝時(shí)間，從而導(dǎo)致生產(chǎn)率的下降。因此，批次重量尺寸和高度的增長(zhǎng)必須和周期時(shí)間之間達(dá)到一個(gè)巧妙的平衡以實(shí)現(xiàn)凈生產(chǎn)能力的增加。
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還有其它一些與生產(chǎn)更大硅錠相關(guān)的上游和下游生產(chǎn)問(wèn)題，這些問(wèn)題會(huì)影響生產(chǎn)成本，因此必須在固定資產(chǎn)設(shè)備的采購(gòu)決策中加以考量。從上游來(lái)說(shuō)，坩堝成本將隨著坩堝尺寸的增加而增加，而坩堝的準(zhǔn)備成本也會(huì)隨著涂層工藝的日益復(fù)雜而增加。從下游來(lái)說(shuō)，更寬的硅錠可能需要更大的切方線鋸設(shè)備來(lái)進(jìn)行處理。
最后，如果硅錠生長(zhǎng)和線切割操作之間的生產(chǎn)線平衡無(wú)法維持，總體硅片生產(chǎn)力也會(huì)下降。生產(chǎn)更多可制成硅片的硅錠材料可能會(huì)增加生產(chǎn)能力和爐子的利用率，但如果線切割操作無(wú)法處理增加后的材料或波形因數(shù)，就可能會(huì)出現(xiàn)在制品(WIP)瓶頸或降低線鋸利用率，從而導(dǎo)致硅片生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)的總體生產(chǎn)力下降。影響硅錠生長(zhǎng)的因素分析見(jiàn)表1。
價(jià)值指標(biāo)
價(jià)值指標(biāo)的概念是評(píng)估生產(chǎn)更大硅錠的經(jīng)濟(jì)影響的一種實(shí)用工具。影響到硅錠生長(zhǎng)經(jīng)濟(jì)性的爐供應(yīng)商之間的主要功能差異可以表達(dá)為下式：
以下將說(shuō)明四項(xiàng)首要標(biāo)準(zhǔn)如何與鑄錠爐的經(jīng)濟(jì)性息息相關(guān)：
Revenue/Kg（每千克產(chǎn)品的銷售收入）
硅片的晶體品質(zhì)會(huì)影響最終的太陽(yáng)能電池效率，從而影響到組件的效率。優(yōu)化可制成硅片的材料的數(shù)量可有助于降低生產(chǎn)成本，并進(jìn)而驅(qū)動(dòng)所生成的每千克材料獲得更多的銷售收入。
硅錠合格率
如先前所描述，硅錠合格率是指裁切成方形后可用于制成硅片的硅錠重量除以硅錠生長(zhǎng)前的所裝硅料重量。
生產(chǎn)能力
鑄錠爐生產(chǎn)能力是由硅錠尺寸以及其將多晶硅原材料轉(zhuǎn)化為多晶硅硅錠需要的時(shí)間所構(gòu)成的一個(gè)函數(shù)。具體公式可表述為硅錠尺寸除以工藝時(shí)間，單位通常為千克/小時(shí)。
設(shè)備價(jià)格
該價(jià)值僅指鑄錠爐的采購(gòu)成本。在比較不同鑄錠爐供應(yīng)商的過(guò)程中應(yīng)用價(jià)值指標(biāo)時(shí)，常常會(huì)用到每年的折舊支出，即設(shè)備價(jià)格除以折舊年限。
當(dāng)生產(chǎn)商考慮購(gòu)買新的定向凝固爐或升級(jí)現(xiàn)有系統(tǒng)以生產(chǎn)更大的硅錠時(shí)，應(yīng)仔細(xì)評(píng)估潛在因素以幫助確定當(dāng)前的過(guò)渡行為是否具有經(jīng)濟(jì)可行性。
