- 多晶硅錠定向凝固工藝
- 硅錠生長的經(jīng)濟性指標
用于制造太陽能硅片的多晶硅錠的生長是一個相當復雜的工藝。硅錠生長工藝的目標在于優(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，從而實現(xiàn)盈利豐厚的運營結(jié)果。為實現(xiàn)這一目標，硅錠生長工藝需要進行嚴格監(jiān)控，并需對定向凝固爐在結(jié)晶工藝期間的無數(shù)種變量加以有效控制。
現(xiàn)在有這樣一種趨勢認為“硅錠越大越好”，越大的一定就越好嗎？本文將對一些與更大尺寸硅錠的生長及其對硅錠生長運營的經(jīng)濟影響有關(guān)的難題進行探討。
了解定向凝固工藝
用于生產(chǎn)太陽能硅片的原料硅在硅錠生長工藝期間以一種高度控制的方式進行生長，從而達到優(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，從而可令太陽能電池獲得更高效率，而多晶硅爐兆瓦產(chǎn)量也會更高。
多晶硅錠的生產(chǎn)是一個批量工藝，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)濟意義。過去數(shù)年中，具有生產(chǎn)價值的鑄錠爐產(chǎn)能的增長使得硅錠尺寸已從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厘米間的一個相對穩(wěn)定的數(shù)值。
最近，數(shù)個鑄錠爐供應商聲稱自己已生產(chǎn)出更大尺寸的硅錠。這是否僅僅是向著更大硅錠目標前進的道路上的下一步呢？是否存在一個最佳的硅錠尺寸？
硅錠生長經(jīng)濟性
硅錠生長工藝是一種資本密集型工廠運營。如今的高產(chǎn)量硅片生產(chǎn)工廠可能會在生產(chǎn)中用到多達100臺的長晶爐。組件價格的持續(xù)下降正通過整個太陽能生產(chǎn)價值鏈對利潤率產(chǎn)生重大影響，這就要求生產(chǎn)商能夠確保運營過程中的每一個環(huán)節(jié)均能提供價值回報。盡管更大的硅錠尺寸看似是一個從固定資產(chǎn)設(shè)備投資中獲得更多價值的解決方案，但硅片生產(chǎn)商仍然應該在投資生產(chǎn)更大硅錠所需的設(shè)備前仔細考慮能夠驅(qū)動最大價值的四個關(guān)鍵經(jīng)濟因素，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厘米的標準，其高度并未發(fā)生相應增長。更寬的硅錠顯然可以生產(chǎn)出更多可制成硅片的合格硅。在用上述四項關(guān)鍵經(jīng)濟因素加以分析后，可以看到長晶爐從第4代（240千克）至第5代（450千克）的過渡為生產(chǎn)商帶來了可衡量的價值增長。但是，硅錠可以生長到的寬度也許存在一個極限，使得合格材料的產(chǎn)能增加值逐步下降，直至低到硅錠生長運營成本增加的臨界點之下。
隨著硅錠變得越來越寬，加熱動力學也面臨著更多挑戰(zhàn)，因為熔融硅的中心點和加熱室周邊熱區(qū)加熱部件之間的距離在不斷增加。這個距離越大，越可能導致固液界面形狀不均衡，因此會令硅錠邊到邊的晶體生長無法實現(xiàn)最佳效果。而硅錠合格率也可能會因此而下降，因為材料質(zhì)量不理想使得更多百分比的硅錠無法轉(zhuǎn)化為硅片。為了解決這個問題，生產(chǎn)商可以增加硅錠生長時間，但這樣一來生產(chǎn)力會因為生產(chǎn)能力的下降而受到不利影響。
定向凝固爐供應商也在探索使硅錠長得更高的方式，以達到每批生產(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，因此必須對設(shè)備加以改造。和生長更寬的硅錠類似，這種方法聽起來十分簡單直觀，但生產(chǎn)更高的硅錠并非不存在難題。
因為定向凝固爐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增加。這種情況會使得硅錠發(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)歷的額外時間可能會增加批次工藝時間，從而導致生產(chǎn)率的下降。因此，批次重量尺寸和高度的增長必須和周期時間之間達到一個巧妙的平衡以實現(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)問題，這些問題會影響生產(chǎn)成本，因此必須在固定資產(chǎn)設(shè)備的采購決策中加以考量。從上游來說，坩堝成本將隨著坩堝尺寸的增加而增加，而坩堝的準備成本也會隨著涂層工藝的日益復雜而增加。從下游來說，更寬的硅錠可能需要更大的切方線鋸設(shè)備來進行處理。
最后，如果硅錠生長和線切割操作之間的生產(chǎn)線平衡無法維持，總體硅片生產(chǎn)力也會下降。生產(chǎn)更多可制成硅片的硅錠材料可能會增加生產(chǎn)能力和爐子的利用率，但如果線切割操作無法處理增加后的材料或波形因數(shù)，就可能會出現(xiàn)在制品(WIP)瓶頸或降低線鋸利用率，從而導致硅片生產(chǎn)運營的總體生產(chǎn)力下降。影響硅錠生長的因素分析見表1。
價值指標
價值指標的概念是評估生產(chǎn)更大硅錠的經(jīng)濟影響的一種實用工具。影響到硅錠生長經(jīng)濟性的爐供應商之間的主要功能差異可以表達為下式：
以下將說明四項首要標準如何與鑄錠爐的經(jīng)濟性息息相關(guān)：
Revenue/Kg（每千克產(chǎn)品的銷售收入）
硅片的晶體品質(zhì)會影響最終的太陽能電池效率，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，并進而驅(qū)動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間所構(gòu)成的一個函數(shù)。具體公式可表述為硅錠尺寸除以工藝時間，單位通常為千克/小時。
設(shè)備價格
該價值僅指鑄錠爐的采購成本。在比較不同鑄錠爐供應商的過程中應用價值指標時，常常會用到每年的折舊支出，即設(shè)備價格除以折舊年限。
當生產(chǎn)商考慮購買新的定向凝固爐或升級現(xiàn)有系統(tǒng)以生產(chǎn)更大的硅錠時，應仔細評估潛在因素以幫助確定當前的過渡行為是否具有經(jīng)濟可行性。
