太陽能行業(yè)內(nèi)所使用的硅錠指的是在高純度坩堝內(nèi)精心固化的大塊硅料。因為從中所切割出的硅片質(zhì)量決定了最終太陽能電池的性能，因此，這些硅料的結(jié)晶質(zhì)量備受關(guān)注。此種硅錠的制作是十分耗費資金的，幾乎占到了最終太陽能電池總成本的三分之一。其中原料成本所占比例最大，但同時，設(shè)備折舊、受污染的坩堝、保護性氣體、能源及產(chǎn)量損失等問題也同樣對最終成本影響頗大。因此，太陽能領(lǐng)域內(nèi)的硅片生產(chǎn)商熱衷于提高設(shè)備的生產(chǎn)效率和產(chǎn)能。

逐漸變大的太陽能硅錠

由于生產(chǎn)成本與規(guī)模成比例地增長，硅錠的重量也持續(xù)不斷地增加，從前幾年的270kg增加至了現(xiàn)在的700kg。ITRPV在2015年公布的報告預(yù)測硅錠重量將在未來的四年內(nèi)增加至1300kg。在過去，這種重量上的增長主要是通過增加坩堝和鑄錠爐的尺寸來實現(xiàn)的。為了進一步對原料荷載進行最大化調(diào)整，需要對現(xiàn)有坩堝容量進行盡可能有效的填裝，盡量避免原料塊之間的空隙。原料塊之間的空隙會在融化過程中坍塌，造成產(chǎn)出的硅錠比坩堝所能產(chǎn)出的最大尺寸薄上許多。

就好比一個旅行箱，如果衣服疊得整整齊齊，就可以放很多進去，用經(jīng)過尺寸優(yōu)化的原料填裝坩堝看可以提高坩堝的荷載。在這里，關(guān)鍵的性能指標(biāo)是“填充率”，即原料對給定空間的填充能力(也稱“填充因子”)。傳統(tǒng)硅料的填充率通常在75%一下，這就意味著高達(dá)四分之一的可用坩堝空間被浪費。

這一結(jié)果能夠展示出不同的原料形態(tài)及其對填充率的影響。

坩堝裝載：原料形態(tài)及填充率的拼圖

取決于不同的提純工藝，太陽能用原料硅可通過不同的形態(tài)或形狀進行分類：西門子多晶硅和其他一些冶金方式(UMG-Si)通常會產(chǎn)出隨機形狀的原料塊。即使多晶硅棒和UMG-Si均能完整地切割成圓柱體或硅磚，這種昂貴的工藝流程并沒有獲得被廣泛應(yīng)用的動力。而另一方面，流化床反應(yīng)器(FBR)能夠產(chǎn)出尺寸在1-3mm之間的小徑顆粒。最后，早期鑄錠階段被篩選掉的材料(如頂部或底部的切割廢料，以及破損硅片等)均可進行循環(huán)利用，從而降低原料費用。圖一為裝載了不同類型原料的坩堝。

奧利弗·格拉夫(OliverGraf)先生作為公司的鑄造工藝協(xié)調(diào)員在三個不同的大陸上主持了現(xiàn)場坩堝填裝工作。根據(jù)他的經(jīng)驗，如果精心排布的話，成塊兒的原料能夠達(dá)到預(yù)分類尺寸材料填充率的73%。但是，格拉夫先生表示，草率的填裝會導(dǎo)致更差的填充率，并大幅降低坩堝的裝載量。形狀規(guī)則的整塊兒原料能夠大幅簡化這一流程。舉例來說，圓柱形多晶硅原料能夠制成蜂窩狀形態(tài)。由UMG-Si方式制得的磚狀原料與現(xiàn)有坩堝的形狀更為匹配，因此能夠?qū)崿F(xiàn)更為緊湊的填充效果。在硅棒、硅磚之間的空隙，以及坩堝壁上的縫隙可使用更小的材料進行填充。

流化床反應(yīng)器所制得的顆粒狀材料在這里就顯現(xiàn)出了優(yōu)勢：格拉夫先生強調(diào)，與塊狀原料的填充率相比，流化床反應(yīng)器制得的顆粒憑借其優(yōu)秀的“流動性”，能夠填充其他原料類型之間出現(xiàn)的空隙。他預(yù)計，通過將顆粒狀原料和塊狀原料進行優(yōu)化組合，可實現(xiàn)高達(dá)80%的填充率。除了能夠提高產(chǎn)率外，這一混合方式同時還能夠降低填充時間(參見REC資料)。格拉夫先生指出，傳統(tǒng)的解決原料間松散問題的方式，如加壓、震動等，無法應(yīng)用在太陽能坩堝上。“坩堝本身或表面涂層的損壞可導(dǎo)致硅錠出現(xiàn)裂痕，(震動)有可能導(dǎo)致融化后的硅料溢出——簡直就是禍害產(chǎn)量的最佳方式!”格拉夫先生表示。

當(dāng)被問及原料的最佳形態(tài)時——在不考慮成本的條件下——格拉夫先生的描述是與坩堝形狀完全吻合的大塊原料。坩堝的填裝可通過將定制好的原料塊自動放置在坩堝中來完成。循環(huán)利用材料、顆粒原料、小塊材料等額外的填充原料可被用來對坩堝壁與原料間的縫隙進行填充。這種方式不僅能夠使預(yù)期填充率達(dá)到接近100%的水平，同時還能大幅縮短填充時間。此外，此種填裝類型還是實現(xiàn)全面自動化系統(tǒng)過程中的重要一步。與傳輸帶相結(jié)合后，可將填裝好的坩堝平穩(wěn)地運至/運出鑄錠爐，這樣，鑄錠工藝可在不遠(yuǎn)的未來成為僅需工人極少的操作就可以實現(xiàn)的流程，格拉夫先生這樣暢想。

回到當(dāng)下的現(xiàn)實中，優(yōu)化原料形狀是提高坩堝裝載率和設(shè)備生產(chǎn)力的簡單方式。從某種程度上來說，對原料進行預(yù)分揀和形狀拼湊極有可能會在大多數(shù)生產(chǎn)線上得以部分實現(xiàn)。但是，目前來看，通過原料來提高填充率并無法在市場上獲得很多溢價空間。這樣就使得FBR顆粒作為塊狀原料的補充形式，更具經(jīng)濟效益和技術(shù)優(yōu)勢。

對坩堝填充率的進一步提高預(yù)計可通過兩種方式來實現(xiàn)：將原料制成較大的塊狀，或制成優(yōu)化后的形狀。而這兩種形式可能是能夠進行堆疊的磚狀材料，或是根據(jù)坩堝尺寸進行切割的單獨整塊原料。從技術(shù)上來說，多晶硅和UMG-Si原料均可制成大型的幾何形狀原料，事實上，Elkem太陽能公司已經(jīng)在多年前就開始提供相關(guān)產(chǎn)品了。但是，通過線鋸來對硅塊進行切割塑性是一項成本極高的工藝。這使得此種原料幾何形狀的未來并不明確，除非切割技術(shù)會出現(xiàn)突破，可獲得相類似的原料成品，或者原料能夠直接根據(jù)太陽能坩堝的形狀進行優(yōu)化制定。

隨著填充率的增加，還需要注意的是填充緊湊的原料所產(chǎn)生的熱膨脹對坩堝本身的損壞。此外，結(jié)晶工藝也需要針對更大的填充量進行優(yōu)化。下游工藝的產(chǎn)能(帶鋸和線鋸等)也需要進行調(diào)整，以適應(yīng)所鑄得的更高的硅錠。

產(chǎn)量的提升

填充率是坩堝裝載和硅錠產(chǎn)量的一個重要性能指標(biāo)。通過將不同類型的原料相結(jié)合，如大型塊狀原料和顆粒狀原料等，可將填充率提高10%或更多。據(jù)估算，通過將原料制成磚狀或根據(jù)坩堝尺寸進行定制(已經(jīng)能夠通過UMG-Si等工藝實現(xiàn))，能夠進一步獲得10%的填充率。