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?yàn)閺闹兴懈畛龅墓杵|(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(fèi)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(shí)，設(shè)備折舊、受污染的坩堝、保護(hù)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(bào)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(shí)現(xiàn)的。為了進(jìn)一步對原料荷載進(jìn)行最大化調(diào)整，需要對現(xiàn)有坩堝容量進(jìn)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(huì)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(gè)旅行箱，如果衣服疊得整整齊齊，就可以放很多進(jìn)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(fèi)。

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(jìn)行分類：西門子多晶硅和其他一些冶金方式(UMG-Si)通常會(huì)產(chǎn)出隨機(jī)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(dòng)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(jìn)行循環(huán)利用，從而降低原料費(fèi)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(gè)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(yàn)，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(huì)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(jìn)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(qiáng)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(dòng)性”，能夠填充其他原料類型之間出現(xiàn)的空隙。他預(yù)計(jì)，通過將顆粒狀原料和塊狀原料進(jìn)行優(yōu)化組合，可實(shí)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(shí)還能夠降低填充時(shí)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(dòng)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(dòng))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(shí)——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(dòng)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(jìn)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(shí)還能大幅縮短填充時(shí)間。此外，此種填裝類型還是實(shí)現(xiàn)全面自動(dòng)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(yùn)至/運(yùn)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(shí)現(xiàn)的流程，格拉夫先生這樣暢想。

回到當(dāng)下的現(xiàn)實(shí)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(jìn)行預(yù)分揀和形狀拼湊極有可能會(huì)在大多數(shù)生產(chǎn)線上得以部分實(shí)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(jià)空間。這樣就使得FBR顆粒作為塊狀原料的補(bǔ)充形式，更具經(jīng)濟(jì)效益和技術(shù)優(yōu)勢。

對坩堝填充率的進(jìn)一步提高預(yù)計(jì)可通過兩種方式來實(shí)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(jìn)行堆疊的磚狀材料，或是根據(jù)坩堝尺寸進(jìn)行切割的單獨(dú)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(shí)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(jìn)行切割塑性是一項(xiàng)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(huì)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(jìn)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(jìn)行優(yōu)化。下游工藝的產(chǎn)能(帶鋸和線鋸等)也需要進(jìn)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(gè)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(jìn)行定制(已經(jīng)能夠通過UMG-Si等工藝實(shí)現(xiàn))，能夠進(jìn)一步獲得10%的填充率。