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【干货】铸造多晶硅锭常见异常问题浅析

导读: 一般溢流发生在熔化阶段及长晶阶段,特别是在熔化后期及长晶初期发生的溢流最为常见。溢流以后不但意味着该炉次没有硅锭产出,而且轻则损失几公斤硅料,重则造成热场部件的重大损失甚至安全事

  本文介绍了多晶硅锭生产过程中遇到的各种异常情况,分析这些异常产生的原因,提出了一些相关的预防及改善措施。

  1、硅液溢流

  多晶硅铸锭包括加热、熔化、长晶、退火、冷却五个工艺步骤,其中硅料在熔化过程中或熔化完以后可能会因其盛放的石英陶瓷坩埚破裂,从坩埚内流出,常简称硅液溢流。高温硅液体流到溢流丝上面,使溢流丝熔断,触发溢流报警,系统进入紧急冷却。一般溢流发生在熔化阶段及长晶阶段,特别是在熔化后期及长晶初期发生的溢流最为常见。溢流以后不但意味着该炉次没有硅锭产出,而且轻则损失几公斤硅料,重则造成热场部件的重大损失甚至安全事故,因此溢流是多晶硅铸造最严重也是较为常见的生产异常。造成硅液溢流的可能原因大概有以下几点。

图1、硅液溢流造成的热场、硅料损失惨状

  1)坩埚隐裂。用来盛放硅锭的坩埚为石英陶瓷材料,其制作方式有注浆成型和注凝成型两种方式,但不论哪种方式制作的坩埚,都会存在隐裂,气孔等缺陷,这些坩埚在出厂以前一般都会经历两道以上的采用显影液透光检查过程,但仍可能会有漏检的坩埚,另外坩埚在运输过程中或搬运过程中会遇到震动或磕碰,都会导致坩埚产生隐裂,如果这些缺陷在装料前没有检测到,很有可能在熔化过程中出现硅液溢流现象。因此,坩埚拆箱以后,在喷涂前应该严格检测,使用强光灯源对坩埚五个面透光检测是一种较为方便有效的方法。

  2)装料挤压。装料过程中,靠近坩埚边角的位置特别是四个竖棱角位置,如果有大块儿的硅料靠近坩埚,硅料之间特别注意需要留有一定空隙,一般以2cm以上最佳,一旦装料过挤,可能引发溢流产生。这是因为,硅料熔化从中上部开始,而硅的固体密度为2.33g/cm3,液体密度为2.53 g/cm3。一旦装料过于拥挤,液体硅流到坩埚底部以后可能会因温度过冷而凝固,如果没有空间供其膨胀,会对坩埚壁产生挤压作用,导致坩埚破裂溢流。越是靠近边角的位置,应力越集中,越容易因装料不合理而溢流,溢流的部位实际上也往往出现在坩埚四个立棱处附近,硅锭脱模后仔细观察溢流位置对应坩埚内壁,经常会发现硅料挤压氮化硅涂层和坩埚内壁的痕迹。

  3)工艺参数不合理。铸锭工艺过程中,在加热及熔化初期,热场内部温度纵向梯度相对较大,坩埚中下部温度很长一段时间较低。而石英坩埚陶瓷材料在1300℃以上晶相转化速率较快,过高的加热功率或升温速度会导致坩埚在纵向上晶相转化速度相差较大,坩埚壁产生较大应力,长时间拉伸作用容易产生裂纹,从而引发溢流。因此,很多铸锭工艺会在1200℃左右保温一段时间,等待坩埚上下温度相对均匀后再继续升温,过大的温度梯度设置会极易引发溢流的产生。

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