9英寸低含氧量太陽能單晶硅高效節(jié)能制備技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)化_第1頁
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文檔簡介

1、9英寸低含氧量太陽能單晶硅高效節(jié)能制備技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)化可行性報告二o二年三月9英寸低含氧量太陽能硅單晶高效節(jié)能制備技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)化項目可行性研究報告一、立項的背景和意義本項目屬于浙江省十二五重大科技專項實施方案中“重大科技專項重點工 業(yè)項目” / “新材料技術(shù)” / “高性能功能、智能材料” / “高能量密度和高功率電池、 太陽能光伏等能源材料產(chǎn)業(yè)化技術(shù)”領(lǐng)域;項冃通過對能源材料的工程化、規(guī)?;?生產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)及設(shè)備的研發(fā),實現(xiàn)了大尺寸低氧太陽能單晶硅的高效節(jié)能產(chǎn)業(yè)化生 產(chǎn),項目符合國家和浙江省產(chǎn)業(yè)政策。隨著經(jīng)濟的發(fā)展,能源越來越趨緊張,常規(guī)的燃料能源正在一天天減少,而且 常規(guī)的燃料能源對環(huán)境造成的

2、危害也fi益突出。根據(jù)有關(guān)材料顯示,人類己確知石 油儲備將用40多年,天然氣60余年,煤大約200年。另外,以化石能源為主體的 能源結(jié)構(gòu),對人類環(huán)境的破壞顯而易見,每年排放的二氧化碳達210萬噸,并呈上 升趨勢,從而造成冰雪消融,冰川退縮,全球氣候變暖。同時全球還有20億人得不 到正常的能源供應(yīng)。在這種情況下,全世界都把目光投向了可再生能源,希望可再 生能源能夠改變?nèi)祟惖哪茉唇Y(jié)構(gòu),維持長遠的可持續(xù)發(fā)展。太陽能以其獨有的優(yōu)勢 而成為人們重視的焦點。豐富的太陽輻射能是重要的能源,是取z不盡、用z不竭 的,無污染,廉價,人類能夠自由利用的能源。太陽能每秒鐘到達地面的能量高達 80萬千瓦,如果把地球表

3、面0. 1%的太陽能轉(zhuǎn)換為電能,按轉(zhuǎn)換率為5%計,每年發(fā) 電量可達5.6x1012千瓦時,相當(dāng)于目前卅界上能耗的40倍左右。對于太陽能的利 用,最具潛力的是各種太陽能電池的開發(fā)與應(yīng)用。太陽能電池是利用“光生伏打效 應(yīng)”原理制成的,實際上就是把光能變成電能的能量轉(zhuǎn)換器。太陽能光伏發(fā)電具有許多其它發(fā)電方式無法比擬的優(yōu)點:不消耗燃料、不受地 域限制、規(guī)模靈活、無污染、安全可靠、維護簡單、壽命較長等等,所以自從實用 性硅太陽能電池問世以來,世界上很快就開始了太陽能光伏發(fā)電的應(yīng)用。近兒年來, 硅片、電池片、組件廠都有了很大的發(fā)展,年增幅在30%以上,專業(yè)機構(gòu)預(yù)測硅片 市場缺口達30%以上,今后十年這一行

4、業(yè)仍將呈供不應(yīng)求的局面。我國受地理位置的影響,蘊藏著豐富的太陽能資源,然而太陽能資源的開發(fā)滯 后,如何把陽光留住,催生邙h光經(jīng)濟,是我國科學(xué)發(fā)展面臨的一個嚴峻課題。我 國目前太陽電池和組件一年的生產(chǎn)水平僅僅相當(dāng)于徳國四門子公司一個月的產(chǎn)量。 由于缺乏技術(shù),我國的太陽能產(chǎn)品元件大多需要進口,生產(chǎn)成本很高。因此,開發(fā) 生產(chǎn)太陽電池的基礎(chǔ)材料:太陽能級單晶硅是十分迫切、十分必要。能源短缺和環(huán)境保護成為21世紀經(jīng)濟發(fā)展和能源領(lǐng)域最重要的課題。開發(fā)太陽能級單晶硅,是太陽能電池所必須的基礎(chǔ)材料,項目符合“國家發(fā)展 和改革委員會第40號令產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整指導(dǎo)目錄第一類鼓勵類”中“二十四、信 息產(chǎn)業(yè)3&6

5、英寸及以上單晶硅、多晶硅及晶片制造”條目。也符合浙江省制造 業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展導(dǎo)向目錄鼓勵類中“十七、有色金屬冶煉及壓延加工業(yè)4.太陽能電 池用低成木多晶硅、單晶硅”、“二十三、通信設(shè)備、計算機及其他電子設(shè)備制造業(yè) (三)集成電路設(shè)計制造18英寸及以上單晶硅、拋光片、外延片”條目。同時, 國家發(fā)改委、科技部、商務(wù)部編制的當(dāng)前優(yōu)先發(fā)展的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)化重點領(lǐng)域指南 屮“新型太陽能電池及制造裝備,”位于其屮。項fi屬國家、省和地方重點 鼓勵發(fā)展的新興產(chǎn)業(yè),是會得到大力扶持。另外,我國可再生能源法的實施, 太陽能、風(fēng)能等可再牛能源作為“十一五”期間國家能源重點發(fā)展方向,將在政策、 稅收等享有優(yōu)惠。同時,可再生能

6、源法中明確指出,到2020年,我國可再生能 源的構(gòu)成比例要占到10%以上。國家鼓勵和支持可再生能源并網(wǎng)發(fā)電,也大大推進 了太陽能開發(fā)利用。隨著人類社會的進步和科技的發(fā)展,一方面,傳統(tǒng)的燃料能源碳排放量日益增 加,導(dǎo)致人類?;瞽h(huán)境不斷惡化;另一方面,資源日漸衰竭,發(fā)展新能源,低碳經(jīng) 濟和節(jié)能減排已成為了人類社會可持續(xù)發(fā)展和邁向文明的必由之路。光伏產(chǎn)業(yè)是卅 界上發(fā)展最快的新能源產(chǎn)業(yè)之一。近年取得了更加迅速的發(fā)展。在我國“十二五” 期間,全面建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會的背景下,太陽能產(chǎn)業(yè)正面臨前所未 有的發(fā)展機遇。當(dāng)時,國內(nèi)單晶硅牛產(chǎn)廠家水平普遍低于國際先進企業(yè),存在以下諸多問題:(1)缺乏自主

7、創(chuàng)新能力,自主知識產(chǎn)權(quán)少;缺乏專業(yè)技術(shù)人才,技術(shù)力量不足;大部 分生產(chǎn)廠家研究創(chuàng)新能力差,原創(chuàng)技術(shù)少,測繪模仿多,在原有技術(shù)基礎(chǔ)上徘徊, 技術(shù)進步緩慢,設(shè)備不能上檔次,在一定程度上減緩了行業(yè)的提升和快速發(fā)展;(2) 設(shè)備的設(shè)計和單晶硅生長工藝脫節(jié),盲目的追求直徑的犬小,但是單晶硅的質(zhì)量方 面比如氧含量,電阻分布率等都無法滿足太陽能電池廠家要求;(3)國產(chǎn)拉晶設(shè)備和 工藝耗能過高,單位用電量過大,從而導(dǎo)致單位成本過高。本項冃通過對國產(chǎn)單晶爐fz2008-ae進行技術(shù)解剖,優(yōu)化了單晶爐熱場、擴大 了內(nèi)容量,提高出晶速率20%,年節(jié)約用電24萬度/臺,實現(xiàn)了 8-12英寸級硅單晶 的國產(chǎn)化。設(shè)計出新

8、型控制熔體對流、氧含量等工藝技術(shù)和循環(huán)料與原料配制比例 值,再提高大直徑硅片性能的同時,降低了成本,減小了對環(huán)境的影響??梢婍椖?對提高國產(chǎn)設(shè)備技術(shù)進步和光伏行業(yè)健康發(fā)展具有重大意義。太陽能是一種最環(huán)保、最衛(wèi)生、最方便的可再生能源,世界上研究太陽能利用 也已有近70年歷史,1941年出現(xiàn)有關(guān)硅太陽能電池的報道;1954年研制成效率為 6%的單晶硅太陽能電池;1958年太陽能電池用于衛(wèi)星供電。長期來由于太陽能利用 效率低、價格昂貴,主要用于在空間,上卅紀70年代后雖然在提高效率和降低成本 方面取得較大進展,但從大規(guī)模利用太陽能而言,與常規(guī)發(fā)電相比,成本仍太高, 致使太陽能應(yīng)用長期得不到有效推廣,

9、制約了太陽能商業(yè)化產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。項冃實施 將單位能耗降低30%,使太陽能光伏產(chǎn)業(yè)在材料環(huán)節(jié)成本降低,對于未來太陽光伏 發(fā)電大規(guī)模利用,全面替代煤炭等不可再牛能源又向前邁進了堅實的一步。二、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(-)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)大致可分為三類:第一代晶硅發(fā)電(單晶硅、多晶硅)、第 二代非晶硅薄膜發(fā)電、第三代高倍聚光發(fā)電。業(yè)界之前將目光主要集中在改進多晶 硅和太陽能電池的生產(chǎn)工藝上,已經(jīng)取得一定的成果。進入21卅:紀,卅:界太陽能 光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展速度迅速增大,在國際市場的拉動下,我國太陽能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè) 發(fā)展迅速,近年來,我國太陽能電池年產(chǎn)量不斷上升截止2011年年底我國太陽

10、能電 池總產(chǎn)量約占了世界總產(chǎn)量的50%,這些與太陽能光伏產(chǎn)業(yè)鏈上各環(huán)節(jié)工程技術(shù)人 員的辛勤工作,辛苦創(chuàng)業(yè)密不可分,做出了卓越的貢獻,而作為材料制備關(guān)鍵設(shè)備 的國產(chǎn)化單晶硅生長設(shè)備-單晶爐更是起到了非常顯著的貢獻。但是從成本和產(chǎn)能 問題,己經(jīng)成為制約企業(yè)乃至行業(yè)發(fā)展的根本性問題。國內(nèi)太陽能級單晶硅材料直徑大多數(shù)停留在6-8英寸,8-12英寸的太陽能級單 晶硅材料生產(chǎn)廠家基本上在國外,口不能最犬經(jīng)濟地拉制,成本和效率不如人意, 12英寸的高質(zhì)量太陽能級單晶硅材料國內(nèi)非常少見,究其原因一是單晶爐設(shè)備制約, 二是配套的生產(chǎn)工藝。國外能止常生產(chǎn)12英寸的高效能太陽能單品硅片及其相關(guān) 真空單晶爐,主要代表

11、企業(yè)有日本的tokuyama公司、美國的memchemlocks asimi 等公司,相關(guān)高效能太陽能單晶硅片技術(shù)已經(jīng)形成了技術(shù)壟斷。國內(nèi)能穩(wěn)定拉制高 質(zhì)量的8英寸以上太陽能級單晶硅材料的企業(yè)均是進口國外機器,其成木投入非常 之大,因此不能最大經(jīng)濟拉制,且由于技術(shù)保密性,限制的晶爐使用效率,即使采 用國內(nèi)單品爐拉制出的單品硅片,質(zhì)量不穩(wěn)定。這就暴露出了國內(nèi)單晶硅廠家存在的諸多問題:缺乏自主創(chuàng)新能力,自主知 識產(chǎn)權(quán)少;缺乏專業(yè)技術(shù)人才,技術(shù)力量不足;大部分生產(chǎn)廠家研究創(chuàng)新能力差, 原創(chuàng)技術(shù)少,測繪模仿多,在原有技術(shù)基礎(chǔ)上徘徊,技術(shù)進步緩慢,設(shè)備不能上檔 次,在一定程度上減緩了行業(yè)的提升和快速發(fā)展

12、;(2)設(shè)備的設(shè)計和單晶硅生長工藝 脫節(jié),盲目的追求直徑的大小,但是單品硅的質(zhì)量方面比如氧含量,電阻分布率等 都無法滿足太陽能電池廠家要求;(3)國產(chǎn)拉晶設(shè)備和工藝耗能過高,單位用電量過 犬,從而導(dǎo)致單位成本過高。太陽能單晶硅是太陽能發(fā)電行業(yè)的基礎(chǔ),隨著太陽能發(fā)電往高轉(zhuǎn)化率、低成木、 普及化方向發(fā)展的趨勢,未來太陽能單晶硅需要具備成本低、低氧碳、大尺寸、氧 分布均勻等特性。在加工工藝方面,開發(fā)高加工效率、高成品率、環(huán)保節(jié)能、全自 動控制、高精度加工等工藝工裝對于改善單晶硅品質(zhì)、降低太陽能發(fā)電成本有促進 意義,這也是目前太陽能單晶硅行業(yè)各犬企業(yè)的主要研究方向。三、研究開發(fā)內(nèi)容、技術(shù)關(guān)鍵及創(chuàng)新點(

13、一)主要研究開發(fā)內(nèi)容1、對現(xiàn)有fz-2008ae單晶爐熱場改造,降低生產(chǎn)成本,增加投料量,從而提高產(chǎn)能。(1)改變材質(zhì)在原有熱場底部及上部加入固化氈增加保溫性能,并增加熱屏內(nèi)壁和側(cè)壁碳氈 厚度。爐底固化氈仿照爐底軟氈的厚度和直徑替換掉原來的軟氈;在保溫蓋上部增 加固化氈保溫蓋,降低能耗。圖1熱屏及側(cè)壁碳氈改進前改進后對比圖(2) 熱場改造增大熱場:通過加大熱屏和石英堵堀,使熱屏外表面與石英圮堀側(cè)面形成錐度, 將拉晶爐的保溫?zé)釄鲇蒫526mm增加到c 738mm。熱場梯度優(yōu)化:在爐底壓片上增加爐底反射板,將爐底熱量反射至爐屮加熱區(qū) 域,同時由于熱場增人了,熱對流空間也跟著增人,溫度梯度變化變緩,

14、應(yīng)力降低。圖2改進前后的溫場、流場、等溫線和固液界面對比(3) 增加裝置利用懸掛導(dǎo)流筒式裝置,將導(dǎo)流筒暫時性抬高。這樣可以充分利用石英圮垠的 容量增加投料量。等原料由固體熔融為液態(tài)后再將導(dǎo)流筒降下,實施拉晶過程。2、針對改造后fz-2008ae單晶爐,開發(fā)了相適用的如導(dǎo)流筒的吊裝工藝等流程工藝,調(diào)整拉晶時的液面位置達到最佳成晶區(qū)域,增加成品率,保證高效產(chǎn)能。3、fz-2008ae單晶爐熱場改造保持fz-2008ae單晶爐外形不變,保溫性能不變的情況下,對熱場直徑進行加 人設(shè)計,形成適合9英寸高效太陽能級單晶硅材料生長的熱場系統(tǒng),進一步提高公 司產(chǎn)能,并為改造fz-2008ae真空單晶爐做前期技

15、術(shù)和實踐鋪墊,提高企業(yè)的市場 競爭力和科研能力。4、研究循環(huán)料低含氧加工工藝通過配方和各工序參數(shù)的改進達到所制單晶硅棒低含氧量、氧分布均勻的n的。5、研究控氧技術(shù),保證9英寸大直徑單晶質(zhì)量穩(wěn)定高成品率的同時,其性能保 持在國內(nèi)同類產(chǎn)品領(lǐng)先水平。(1) 研究頭部電阻變高原因總的來說品棒頭部出現(xiàn)高阻一直被公認為是氧的施主作用引起的假象。氧是 via族元素分凝系數(shù)大于1.0、擴散體是分子氧。cz生長法硅單晶的氧雜質(zhì)在低溫 熱處理吋,會產(chǎn)生施主效應(yīng),使得n型晶體的電阻率下降,p型晶硅體的電阻率上 升,施主效應(yīng)嚴重時,能使p型轉(zhuǎn)化為n型。氧在cz生長法單晶硅棒中是非均勻 分布與電阻率是一致的,單晶棒頭部

16、含氧量高,尾部含氧量低;在一片硅材料中, 硅片中央含氧量高,片子邊緣含氧量低。所以說要解決品棒頭部電阻率過高的問題, 控氧是關(guān)鍵。(2) 研究cz生長法硅溶液中氧的主要來源氧混入硅溶液歸結(jié)于硅牛長過程中坦埸的腐蝕。由于石英坦坍(sio2)表面與 硅溶液接觸部分,在高溫環(huán)境下,會慢慢溶解,導(dǎo)致大量的氧進入硅溶液。通常, 硅單品棒頭部氧的含量較高,那是因為在圮埸充滿時,硅熔融液與圮埸壁的接觸面積最大, 從坦埸進入硅溶液的氧也就最多。英坦埸微量溶解后生成氧公式如下:sio2(s)-si (1) +20進入硅溶液的氧原子由于熱對流的影響,會均勻的分布在溶液內(nèi)。并以sio的 形態(tài)被揮發(fā)掉。超過95%的氧

17、將會被揮發(fā)掉,而在固液界面前端擴散邊界層的氧原 子,借由分凝現(xiàn)象進入晶硅棒中。從以上分析我們可以得出結(jié)論,cz生長法中的 高阻現(xiàn)象,是氧的存在造成的假象,并且氧來源主要是石英坦埸,使氧不可避免的 存在在拉制單晶硅的整個過程當(dāng)中,如何將電阻率控制在合理范圍,說到底就是控 氧的過程。(3)研究影響氧含量分布的外部因素:溫度梯度、石英坷埸與硅溶液的接觸面積、硅溶液的液面面積(揮發(fā)面面積)、 拉速、晶轉(zhuǎn)等。a、溫度梯度研究石英坦埸的溶解速率和大部分化學(xué)反應(yīng)一樣隨著 溫度的增加而加快。溶液中的氧含量也就增加。而土甘堀溫度增加勢必會使硅溶液的 溫度梯度增加,因為溶液的中心溫度必然會維持在凝i古i點。簡單的

18、說就是硅溶液的 氧含量隨溫度梯度增加而增加。導(dǎo)致硅溶液內(nèi)溫度梯度高的原因很多,假如在不改變熱場的條件下,晶轉(zhuǎn)、圾 轉(zhuǎn)的對溶液的過大的攪拌作用有可能增加溫度梯度。所以在拉晶過程中堀晶轉(zhuǎn)必須 控制在一個平衡的點。該表說明在埸轉(zhuǎn)(一般為0. 5-20r/min范圍內(nèi))達到8r/min的吋候硅溶液的徑 向溫度梯度最小。b、硅溶液的液面面積(揮發(fā)面的面積)的研究氧原子進入硅溶 液以后,由于熱對流的作用,而均勻的分布在溶液內(nèi)并以sio的形態(tài)揮發(fā)掉。而sio 得蒸汽壓在硅的熔點溫度約為0.002atm (37), 95%以上的氧會被揮發(fā)掉。與其他 液體的蒸發(fā)一樣,揮發(fā)面積的增加可以提高揮發(fā)速度與揮發(fā)量。而在

19、cz生長過程中, 能夠改變液面揮發(fā)面面積的條件有1 甘煙的口徑、品體的直徑。因此我們在熱場設(shè)計 的時候,對圮埸的口徑做了放大設(shè)計。c、晶轉(zhuǎn)的研究高晶轉(zhuǎn)可以使氧的徑向分布 均勻,因為晶體轉(zhuǎn)速加快,會使固液界面從下向上運動的高溫流增犬,起到抑制熱 對流的作用,當(dāng)晶轉(zhuǎn)強迫對流占優(yōu)勢時,牛長界面由凸轉(zhuǎn)平,甚至凹向熔體,這樣 有利于抑制小平面的出現(xiàn),提高氧的徑向均勻性。d、堀轉(zhuǎn)的研究在實際操作中, 加快煙轉(zhuǎn)可以短時間降低溶液液面溫度,而最主要的是加快煙轉(zhuǎn)可以減小石英1 甘竭 的溫度梯度,使圮埸的溶解速度變慢,進而降低溶液的氧濃度。6、研究太陽能單晶爐全自動控制系統(tǒng)采用人工視覺系統(tǒng)和紅外溫度傳感器對單晶硅

20、棒的育徑和所處環(huán)境溫度進行數(shù) 據(jù)采集,將數(shù)據(jù)傳送給處理器,處理器按照控制程序分析數(shù)據(jù),控制執(zhí)行機構(gòu)調(diào)節(jié) 數(shù)據(jù),完成各部工序的轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)的設(shè)置。(二)關(guān)鍵技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)一、9英寸單晶硅棒直拉技術(shù)通過加大熱屏和坨煙,并使熱屏外表面與石英i甘煙側(cè)面形成錐度,熱場底部及 上部加入固化氈增加保溫性能,并增加熱屏內(nèi)壁和側(cè)壁碳氈厚度等措施,構(gòu)建拉制 9英寸單晶硅棒所需環(huán)境和熱場,降低熱場溫度梯度,減小晶棒內(nèi)部應(yīng)力。改進后拉晶爐內(nèi)容量大幅度提升,保溫?zé)釄鲇?526mm增加到0738mm, h溫度梯 度降低,晶體應(yīng)力減小,滿足拉制更大尺寸單晶硅材料的需求,能夠完成拉制9英 寸單晶硅棒。同時,內(nèi)容量增大,投料量將由

21、原來的110kg增大到150kg,單次拉 晶產(chǎn)量增加40kgo關(guān)鍵技術(shù)二、最佳結(jié)晶速率分析技術(shù)改進后,晶體內(nèi)的等溫線更平穩(wěn)更平坦,溫度梯度減小了,晶體內(nèi)部應(yīng)力降低, 因此拉晶速率可以進一步提高。改進后的系統(tǒng)應(yīng)該保證不大于改進前的熱應(yīng)力,或 小于臨界熱應(yīng)力,于是得出改進后結(jié)品速率能夠提高20%的結(jié)論。immm«i) mundi圖4改進前后晶體應(yīng)力分布圖如上圖4所示為改進前后晶體應(yīng)力分布圖,圖中(a)和(b)分別顯示了晶體 位置在700mm高度時改進前和改進后的熱應(yīng)力分布。改進后的品體比改進前的略低。 因此,可以進一步提高拉速,而不會引起大的應(yīng)力增加。在改進后的系統(tǒng)屮將拉速 提高20%,

22、得到的應(yīng)力分布圖如圖6 (c)所示,晶體中的溫度梯度增加,導(dǎo)致更高 的熱應(yīng)力,但應(yīng)力值未超過臨界值(2.5*10000000) pao因此,應(yīng)用改進的熱屏形 狀和增厚的側(cè)壁碳氈,能將結(jié)晶速率至少提高20%。關(guān)鍵技術(shù)三、控氧技術(shù)通過增加硅溶液的液面面積,調(diào)整鍋轉(zhuǎn)和晶轉(zhuǎn)速度,抑制熱對流,減小圮鍋溫 度梯度實現(xiàn)了對熔體對流、氧、摻雜劑和c0p缺陷的控制。采用該項工藝技術(shù),項 目產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)達到國際先進水平,遠優(yōu)于國內(nèi)同類產(chǎn)品。設(shè)計太陽能單晶爐全自動控制系統(tǒng),采用人工視覺系統(tǒng)和紅外溫度傳感器對單 晶硅棒的直徑和所處環(huán)境溫度進行數(shù)據(jù)采集,將數(shù)據(jù)傳送給處理器,處理器按照控 制程序分析數(shù)據(jù),控制執(zhí)行機構(gòu)調(diào)節(jié)

23、數(shù)據(jù),完成各部工序的轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)的設(shè)置。(三) 主要創(chuàng)新點創(chuàng)新點一、針對812英寸級硅單晶直拉技術(shù)要求,對現(xiàn)有fz-2008ae單 晶爐熱場改造,使熱屏外表面與石英圮竭側(cè)面形成錐度,并加大熱屏和圮埸,在爐底部和上部加設(shè)固化保溫碳氈,增加原有碳氈厚度,增設(shè)爐低反射板,在不增大單晶爐體積的前提下增大內(nèi)容量,提高產(chǎn)能和成品率,降低能耗和含氧量;太陽能行業(yè)單晶硅牛長過程是光伏牛產(chǎn)鏈中的高耗能環(huán)節(jié),如何降低該牛產(chǎn)環(huán) 節(jié)的單位能耗,對提高企業(yè)經(jīng)濟效益,并實現(xiàn)當(dāng)前節(jié)能降耗的社會性重大目標(biāo)任務(wù) 具有十分重要的作用。原有fz-2008ae單品爐僅適用于生產(chǎn)68英寸級單品硅材料, 不能滿足812英寸級單晶硅材料生產(chǎn)

24、的需求,且在生產(chǎn)過程屮,等徑功率高、成 晶率不穩(wěn)定等問題比較突出,造成單位生產(chǎn)成本犬,故急需進行技術(shù)創(chuàng)新和改進。項目組通過研究國內(nèi)外文獻、現(xiàn)場拆解單晶爐、計算機模擬運行分析等手段, 通過對材質(zhì)、熱場優(yōu)化,從而實現(xiàn)降低能耗提高產(chǎn)能的目的。下面闡述拉品爐改進內(nèi)容:(1)改變材質(zhì)在原有熱場底部及上部加入固化氈增加保溫性能,并增加熱屏內(nèi)壁和側(cè)壁碳氈 厚度。爐底固化氈仿照爐底軟氈的厚度和直徑替換掉原來的軟氈;在保溫蓋上部增 加固化氈保溫蓋,降低能耗。(2)熱場改造增大熱場:通過加大熱屏和石英圮塀,使熱屏外表面與石英圮垠側(cè)面形成錐度, 將拉晶爐的保溫?zé)釄鲇?526mm增加到0738mmo熱場梯度優(yōu)化:在爐

25、底壓片上增加爐底反射板,將爐底熱量反射至爐中加熱區(qū) 域,同時由于熱場增大了,熱對流空間也跟著增大,溫度梯度變化變緩,應(yīng)力降低。通過上述改進,拉品爐的性能大幅度提升,通過分析得到結(jié)論如下:(1)節(jié)能降耗熱屏外表面與側(cè)壁碳氈的平均溫度,由改進前的約1367k降低到約1315k,表明爐體上部側(cè)壁碳氈有效阻止熱量向上部分的熱損失,達到了節(jié)能的目的。運行結(jié) 果表明:改造前,拉晶爐由原來的每臺35kg/kwh下降到45kg/kwho(2)拉品速率提咼改進后,晶體內(nèi)的等溫線更平穩(wěn)更平坦,溫度梯度減小了,晶體內(nèi)部應(yīng)力降低, 因此拉晶速率可以進一步提高。改進后的系統(tǒng)應(yīng)該保證不大于改進前的熱應(yīng)力,或 小于臨界熱應(yīng)

26、力,于是得出改進后結(jié)晶速率能偶提高20%的結(jié)論。immm«i) mundi圖5改進前后晶體應(yīng)力分布圖如上圖5示為改進前后晶體應(yīng)力分布圖,圖中(a)和(b)分別顯示了晶體位 置在700mm高度時改進前和改進后的熱應(yīng)力分布。改進后的品體比改進前的略低。 因此,可以進一步提高拉速,而不會引起大的應(yīng)力增加。在改進后的系統(tǒng)屮將拉速 提高20%,得到的應(yīng)力分布圖如圖6 (c)所示,晶體中的溫度梯度增加,導(dǎo)致更高 的熱應(yīng)力,但應(yīng)力值未超過臨界值(2.5*10000000) pao因此,應(yīng)用改進的熱屏形 狀和增厚的側(cè)壁碳氈,能將結(jié)晶速率至少提高20%。(3) 拉制尺寸和產(chǎn)能增加由于改進后拉晶爐內(nèi)容量

27、大幅度提升,保溫?zé)釄鲇?526mm增加到0738mm,且溫 度梯度降低,晶體應(yīng)力減小,滿足拉制更大尺寸單晶硅材料的需求,能夠完成拉制 9英寸單晶硅棒。同時,內(nèi)容量增大,投料量將由原來的110kg增大到150kg,單次 拉晶產(chǎn)量增加30kg以上。(4) 含氧量降低由于熱屏外表面與石英圮埸內(nèi)壁由上而下形成一定的錐度,氮氣流道呈減弱趨 勢,根據(jù)結(jié)果顯示,氮氣的平均流速由改進前的約5m/s增加到改進后約6. 5m/s, 有利于將硅熔體表面蒸發(fā)出的si0更快帶走,減少了 si0在石英坦坍內(nèi)壁和熱屏外 壁的沉淀。改進后,流道變窄,降低了 si0沉積表面面積。可見,改進后雖然筑流 量仍然是50ml/min,

28、但是由于流到流道變窄,氮氣的流速提高了,是的品體含氧量 得到降低。創(chuàng)新點二、開發(fā)循環(huán)料低含氧加工工藝,通過調(diào)配各種循環(huán)料和原生料的 比例、調(diào)節(jié)晶棒旋轉(zhuǎn)和縱向運動速率和圮竭旋轉(zhuǎn)速率,并通過自主開發(fā)太陽能 單晶爐全自動控制系統(tǒng),實現(xiàn)整套工藝全自動控制,提高了資源利用率和制得 硅片的光轉(zhuǎn)化率,降低硅棒含氧量和加工成本。研究表明:單晶硅太陽能電池衰減高的根源在于氧,氧與硼結(jié)合形成硼氧氣復(fù) 合體是導(dǎo)致衰減的罪魁禍首。雖然直拉生長法生產(chǎn)工藝比較成熟,成品率也較高, 且成木相對較低,但該方法的單晶硅含氧量一肓較高且分布不勻,直接導(dǎo)致所制成 的單晶硅太陽能電池質(zhì)量不佳,特別帶來光電轉(zhuǎn)化效率低、衰減高等缺陷。單

29、品硅中的氧含量和分布與圮竭轉(zhuǎn)速、品棒轉(zhuǎn)速、晶棒拉速有關(guān)系。在單晶硅 等徑生長過程屮又會受到溫度和拉速的影響。當(dāng)熔體溫度過高時,晶體直徑變小, 反之當(dāng)熔體溫度下降吋,晶體直徑變大,因此,晶體直徑控制是通過控制晶升速度 和加熱溫度實現(xiàn)的。目前太陽能單晶爐均存在著控制自動化程度不高,大部分半自 動半人工操作,對于目前市場對單晶硅的需求來說,全自動、高精度單晶提煉設(shè)備 是必然趨勢。針對上述問題,本項冃對原有單晶硅直拉工藝進行了改進,以達到實現(xiàn)9mni單 晶硅棒制備、低含氧量、氧分布均勻的目的,具體優(yōu)化如下:(1) 配料調(diào)節(jié)原生多晶硅:硼母料:循環(huán)料=100: (0.210.24) : (233248)

30、;通過配料的 調(diào)節(jié),大量利用循環(huán)料,解決了單一用原生硅加工成形存在n型雜質(zhì)過多的問題,提 高了單晶硅片的質(zhì)量,降低成本。(2) 速度、溫度、氮氣量控制為了生產(chǎn)9英寸單晶硅棒,并保證其低含氧,氧排布均勻,采用分階段降溫用 余溫熔料即塌料后固體占2/3,把溫度降到高溫80%左右,固體占1/3時溫度降至揮 發(fā)溫度;在熔料前3h將氮氣流量計調(diào)節(jié)到35l/min,全融化后50l/min;全熔后揮 發(fā)lh,揮發(fā)時圮埸轉(zhuǎn)速為6rpm,氮氣量50l/min;掉渣回熔時不得以高溫回熔;拉 晶埸轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)為8rpm,晶轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)為12rpm,拉速調(diào)節(jié)為1. lmm/min;收尾后,甥位下 降30mm,功率降至2030kw

31、,控制拉速為2mm/min3mm/min埸轉(zhuǎn)2rpm氮氣40l/mino對于工藝的調(diào)節(jié),關(guān)鍵問題是對于各工序轉(zhuǎn)換時間,各工序屮溫度的控制、坦 埸轉(zhuǎn)速、晶棒轉(zhuǎn)速和拉速、氮氣流量等的控制,要求時刻精確把握晶棒及拉晶爐的 各項關(guān)鍵數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)的設(shè)備為半人工半自動控制,氮氣流量、溫度、轉(zhuǎn)速、拉速均 可以設(shè)置,但是對于各步工序的轉(zhuǎn)換需要靠工作人員的仔細觀察和讀數(shù)來確定,這 對于工人素質(zhì)要求較高,且可控性較差,廢品率較高。本項目為了解決這一問題本公司開發(fā)了如圖6示太陽能單晶爐全自動控制系 統(tǒng),釆用人工視覺系統(tǒng)和紅外溫度傳感器對單晶硅棒的直徑和所處環(huán)境溫度進行數(shù) 據(jù)采集,將數(shù)據(jù)傳送給處理器,處理器按照控制程序

32、分析數(shù)據(jù),控制執(zhí)行機構(gòu)調(diào)節(jié) 數(shù)據(jù),完成各部工序的轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)的設(shè)置。圖6太陽能單晶爐全自動控制系統(tǒng)四、項目預(yù)期目標(biāo)(主要技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)、社會效益、技術(shù)應(yīng)用和產(chǎn) 業(yè)化前景以及獲取自主知識產(chǎn)權(quán)的情況)(一)主要技術(shù)指標(biāo)拉制方式:直拉單晶法;導(dǎo)電類型和摻雜劑:p/borp/ga;電阻率: p/b:0. 5-3, 3-6, p/ga:0. 3-0. 6, 0. 5-3. 2-4. 3-6;位錯密度:小于或等于 3000; 崩邊:深度depth小于或等于0. 3mm,長度小于或等于0. 5価(最多兩處):沾污: 無;線痕:深度depth小于或等于20 nm;翹曲度:小于或等于50;硅片尺 寸:125*125

33、土0.5; 156*156 + 0.5 (單位:mm);少子壽命:大于或等于(u -pcd, astmf1535); (11)晶向:100>±2.0。(二)主要經(jīng)濟指標(biāo)1、直接經(jīng)濟效益通過項目實施,預(yù)計到2013年6月,完成全面產(chǎn)業(yè)化實施,初步形成批量生產(chǎn), 實現(xiàn)產(chǎn)值3000萬元/年,銷售額3000萬元/年,利潤600萬元/年,新增稅金140萬 元/年。預(yù)計到2014年4月,項目累計實現(xiàn)實現(xiàn)產(chǎn)值4000萬元,銷售額3800萬元,利 潤760萬元,年創(chuàng)匯50萬美元,新增稅金180萬元;年增工作崗位30人。項目產(chǎn)品銷售市場穩(wěn)定后,進一步擴大生產(chǎn),預(yù)計可實現(xiàn)產(chǎn)值6000萬元/年, 銷

34、售額5800萬元/年,利潤1200萬元/年,稅金300萬元/年。2、間接經(jīng)濟效益單位用電量相應(yīng)減少,由原來每臺45kg/kwh下降到35kg/kwh,節(jié)省電費計20 萬元/每臺;(三)社會效益1、促進行業(yè)發(fā)展通過本項冃的實施,實現(xiàn)了9英寸低含氧量太陽能單晶硅的制備,打破了國際 8-12英寸級太陽能單晶制備的技術(shù)壁壘。提高了中國太陽能行業(yè)在國際上的地位, 對太陽能電池和太陽能發(fā)電行業(yè)的發(fā)展起促進作用。2、節(jié)能降耗單品爐改進后,每臺節(jié)省電24萬度/年,循環(huán)料利用量12噸,節(jié)約大量多品硅。(四)技術(shù)應(yīng)用及產(chǎn)業(yè)化前景根據(jù)世界權(quán)威能源機構(gòu)的推測與分析,地球上的傳統(tǒng)化石能源儲量有限并且由 于人類長期大量使

35、用,地球已面臨著能源枯竭的危險,人類面臨空前的能源危機。 相比z下,我國的能源資源的儲備量還遠低于世界的平均水平,比世界能源形勢更 加嚴峻,尋找和發(fā)展可再生能源的任務(wù)比其他國家更為緊迫,太陽能資源不會因使 用而減少,對環(huán)境不會造成污染是理想的新能源。太陽能電池板的主要原材料單品硅傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝先對原料n型和p型進行型號 分類,然后將分類過的原料放入石英圮竭內(nèi)進行拉晶,對原料型號進行分類費時費 工,生產(chǎn)效率低、生產(chǎn)成本增加。本項目采用型號混雜的情況下進行單晶拉制,通 過型號精確配比和摻雜技術(shù),確保單晶硅產(chǎn)品電阻率等技術(shù)性能參數(shù)符合用戶要求。 由于對單晶爐體熱場、堆堀爐壁進行創(chuàng)新改造,極大增加容量和

36、相對減少用電并提 高20%生品速率,在保證品體品質(zhì)前提下極大提高產(chǎn)量,有效的帶動了下游產(chǎn)品的 產(chǎn)量和品質(zhì),進一步提高了我國太陽能產(chǎn)業(yè)鏈產(chǎn)品的水平,有效的打破了國際大公 司對太陽能生產(chǎn)線核心技術(shù)的壟斷,對我國的太陽能電池制造業(yè)進一步降低綜合成 木,有效利用國內(nèi)資源,增強國際競爭力滿足市場需求具有重要意義,社會和經(jīng)濟 效益十分顯著。(五)自主知識產(chǎn)權(quán)情況通過本項目的實施,到2014年本項目驗收,將累計獲得國家發(fā)明專利1項,實 用新型專利2項,發(fā)表論文12篇,培養(yǎng)高級工程師23名。五、項目實施方案、技術(shù)路線、組織方式與課題分解(一)、實施方案本項目是研制人型石化裝備用超高溫特殊閥門,首先要對用戶進行

37、考察調(diào)研, 了解產(chǎn)品的使用信息,然后由項目負責(zé)單位制定研發(fā)計劃,整個過程分為五個階段: 項目調(diào)研立項階段、項目設(shè)計評審階段、項目加工制造階段、項目試驗及試用階段、 項目改進及驗收階段,具體工作安排如下:1、調(diào)研立項階段要根據(jù)國家宏觀政策和發(fā)展規(guī)劃,了解項冃的現(xiàn)狀及發(fā)展前景,了解用戶對產(chǎn) 品性能的要求及需解決的難關(guān),然后由設(shè)計院、犬學(xué)、用戶參加,共同研究方案, 制訂項目開發(fā)計劃。2、設(shè)計評審階段項目負責(zé)單位進行方案設(shè)計一方案設(shè)計評審一工作圖設(shè)計(三維作圖、有限元 分析)一工作圖設(shè)計評審一工藝審查f標(biāo)準化審查一工藝試驗f控制系統(tǒng)設(shè)計一產(chǎn) 品審定批準。3、加工制造階段由項目實施單位負責(zé)進行加工、檢驗

38、、存貯。4、試驗及試用階段產(chǎn)品試制完成后,聯(lián)系客戶試用,經(jīng)多家用戶使用后提供反饋意見。5、改進及驗收階段產(chǎn)品經(jīng)過一定的運行周期驗證后,用戶提供產(chǎn)品使用情況反饋單,項目負責(zé)單 位會同設(shè)計院和研究所根據(jù)產(chǎn)品實際使用情況,作出產(chǎn)品定型意見,如果需要改進, 則盡快實施改進措施,并經(jīng)用戶再次試用,直到完全符合用戶要求,才能作出產(chǎn)品 定型的結(jié)論,才能進行產(chǎn)業(yè)化運行,達到項目驗收條件后,組織項目驗收會進行驗 收。(二)技術(shù)路線和工藝流程1、技術(shù)路線圖7技術(shù)路線圖2、工藝流程圖8工藝流程圖(三)組織方式與課題分解1、組織方式木項目由承擔(dān)單位自主研發(fā)、實施完成。項目管理將實行負責(zé)人負責(zé)制,項目負責(zé)人負責(zé)本項目的

39、總體實施,包括項目 總體方案研究目標(biāo)、內(nèi)容和進度等)的確定,具體的研究任務(wù)按參與各方進行合理 分工,相應(yīng)的研究經(jīng)費根據(jù)各自承擔(dān)的任務(wù)進行分配。在項fi總框架下建立兩個子 課題組fz-2008ae單晶爐改進、循環(huán)料低含氧加工工藝、太陽能單晶爐全自動控制 系統(tǒng)研究開發(fā)組。各小組分工負責(zé),相互銜接配合,定期檢查交流,接受項目負責(zé) 人的直接監(jiān)督,并定期向項目負責(zé)人匯報。項目研究過程和經(jīng)費使用,將在科技管理部門的監(jiān)管下,由項目負責(zé)人負責(zé)組 織實施,研究經(jīng)費將實行??顚S?,根據(jù)各子課題組承擔(dān)的研究任務(wù),確定經(jīng)費使 用計劃,項目負責(zé)人根據(jù)各子項目完成進度和質(zhì)量對分配比例可作適當(dāng)調(diào)整。全部 經(jīng)費的使用均應(yīng)符合

40、國家對科研經(jīng)費的有關(guān)管理規(guī)定,做到專款專用。2、課題分解木項目大體分為fz-2008ae單晶爐改進、循環(huán)料低含氧加工工藝、太陽能單 晶爐全自動控制系統(tǒng)開發(fā)3大子課題,對每個子課題的技術(shù)規(guī)程、工藝流程等研發(fā) 工作任務(wù),由項目組成員根據(jù)個人的專業(yè)特長進行分工,明確職責(zé)。(1) fz-2008ae單晶爐改進:由項冃負責(zé)人高級工程師xxx,擔(dān)任超 "fz-2008ae單晶爐改進”子課題負責(zé)人。具體負責(zé)開發(fā)單晶爐熱場優(yōu)化方案、晶體應(yīng)力優(yōu)化、熱場溫度梯度控制方案等。(2) 循環(huán)料低含氧加工工藝:由項目負責(zé)人工程師xxx,擔(dān)任超“循環(huán)料低 含氧加工工藝”子課題負責(zé)人。具體負責(zé)調(diào)配各種循環(huán)料和原生料

41、的比例、調(diào)節(jié)品 棒旋轉(zhuǎn)和縱向運動速率和圮竭旋轉(zhuǎn)速率,提高了資源利用率和制得硅片的光轉(zhuǎn)化 率,降低硅棒含氧量和加工成本。(3) 太陽能單晶爐全自動控制系統(tǒng)開發(fā):由工程師xxx擔(dān)任“太陽能單晶爐全 自動控制系統(tǒng)開發(fā)”子課題負責(zé)人。采用人工視覺系統(tǒng)和紅外溫度傳感器對單晶硅 棒的直徑和所處環(huán)境溫度進行數(shù)據(jù)采集,將數(shù)據(jù)傳送給處理器,處理器按照控制程 序分析數(shù)據(jù),控制執(zhí)行機構(gòu)調(diào)節(jié)數(shù)據(jù),完成各部工序的轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)的設(shè)置。六、計劃進度安排起始年月進度目標(biāo)要求2012. 3 至 2012.6收集各種技術(shù)信息進行分析研究整理,制定具體設(shè)計方案,編制 詳細計劃,完成立項并進行公司評審。2012.7 至 2012. 1

42、2籌集、投入資金,進行研發(fā)設(shè)備和實驗所需的相關(guān)材料的購置, 并進行產(chǎn)品試制、檢測并進一步完善設(shè)計方案,產(chǎn)品試制和試銷。2013.1 至 2013.4中期自檢2013.5 至 2013.10經(jīng)過一定的運行周期驗證后,根據(jù)用戶提供產(chǎn)品使用情況反饋 單,項目負責(zé)單位會同設(shè)計院和研究所根據(jù)產(chǎn)品實際使用情況,對產(chǎn)品、工藝進行改進,擴大產(chǎn)量,實現(xiàn)批量生產(chǎn)、銷售。2013.11 至 2014.4開拓市場,增加銷量,全面完成項目指標(biāo);撰寫項目研究報告和 技術(shù)總結(jié)報告等驗收資料,完成項目驗收。七、現(xiàn)有工作基礎(chǔ)和條件1、公司簡介我公司成立于2006年3月注冊資金1000萬元?,F(xiàn)公司座落在平陽縣(鰲江鎮(zhèn)) 經(jīng)濟開發(fā)

43、區(qū),占地面積34673平方米,現(xiàn)有標(biāo)準廠房10000多平方米。2010年公 司從制造精密銅帶轉(zhuǎn)型升級進入太陽能光伏產(chǎn)業(yè)從事太陽能晶硅棒、鑄錠、硅片、 生產(chǎn)研發(fā)、制造、銷售和技術(shù)服務(wù)。公司成立以來,以先進的技術(shù)作后盾,從細節(jié)管理為基礎(chǔ),以全球市場為導(dǎo)向, 為光伏產(chǎn)業(yè)提供優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品和服務(wù)為經(jīng)營理念,引進具有同類產(chǎn)品國際先進水平的日 產(chǎn)多線切割機、少子壽命儀、單晶爐等全套生產(chǎn)檢測設(shè)備,形成年產(chǎn)2000萬片6 英寸及以上單晶硅片生產(chǎn)能力。公司聘請國內(nèi)光伏產(chǎn)業(yè)中有較高知名度的資深科技 人員為公司技術(shù)骨干,并和國家科技前沿的高等學(xué)府建立合作伙伴關(guān)系,和創(chuàng)新人 員培養(yǎng)體系,公司現(xiàn)有員工80多人,大中以上文化程度人員占90%,其中高級專 業(yè)技術(shù)人員3名。現(xiàn)公司形成年產(chǎn)2000萬片6英寸及以上單晶硅片的生產(chǎn)能力,先后和國內(nèi)尚 徳、煜輝等國內(nèi)光伏產(chǎn)業(yè)頂尖企業(yè)建立牢i古i業(yè)務(wù)關(guān)系;產(chǎn)品銷往國內(nèi)外市場。發(fā)展 源于科學(xué),質(zhì)量鑄就品牌,公司將努力打造一支奉獻于太陽能光伏產(chǎn)業(yè)的優(yōu)質(zhì)、高 尚團隊,立足溫州面向世界。2、技術(shù)實力本公司的研發(fā)中心內(nèi)設(shè)有:原材料檢驗室、成品檢驗室、試驗車間、中試車間, 共有科技人員9人,他們直接承擔(dān)新

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