晶體硅太陽能電池生產(chǎn)線外圍設(shè)施建設(shè)經(jīng)驗漫談

陳特超，謝建國，李 克，毛朝斌

(中國電子科技集團公司第四十八研究所，湖南長沙410111)

太陽能電池屬綠色能源產(chǎn)品，太陽能作為可 再生資源，它是解決當(dāng)前全球能源枯竭和環(huán)境污染問題的重要途徑之一[1]。太陽能電池具有許多其他發(fā)電方式所不具備的優(yōu)點：不消耗燃料、不受地域限制、規(guī)模可靈活組合、無污染、無噪音、安全可靠、維護簡單、建設(shè)周期短、最具有大規(guī)模應(yīng)用可能性[2]。近幾年來，各國也都在不斷加大太陽能應(yīng)用的投資力度，各大太陽能電池生產(chǎn)公司也都爭先恐后地開發(fā)太陽能電池工藝新技術(shù)，旨在提高電池轉(zhuǎn)換效率，爭搶太陽能發(fā)電市場。

在太陽能電池生產(chǎn)線中，工藝設(shè)備固然重要，它直接影響轉(zhuǎn)換效率，但外圍設(shè)施的配置也不可忽視。生產(chǎn)線上所有工藝設(shè)備正常運行時都需要外部提供一定的條件，這些條件的制造單元統(tǒng)稱為外圍設(shè)施，包括設(shè)備、管道等。它的好壞直接影響整線生產(chǎn)的正常、穩(wěn)定運行，甚至影響電池轉(zhuǎn)換效率。如擴散爐中尾氣排放是靠外圍設(shè)備的有機排風(fēng)抽出的，如果管路走向不合理，抽風(fēng)機排量選擇不夠大，施工、安裝不到位，將會造成抽速的波動，直接影響擴散后硅片的方塊電阻值。因此，外圍設(shè)施設(shè)計、施工質(zhì)量至關(guān)重要。

1 太陽能電池線工藝流程及對外圍設(shè)施的需求

目前晶體硅太陽電池生產(chǎn)工藝流程如圖1所示。

圖1 晶體硅太陽電池生產(chǎn)工藝流程

根據(jù)工藝要求，以上的每道工序，所需外圍設(shè)施配套供應(yīng)條件見表1。

表1 晶體硅太陽能電池生產(chǎn)車間外圍設(shè)施供應(yīng)條件需求表

2 廠房布置圖

現(xiàn)在標(biāo)準(zhǔn)廠房小產(chǎn)能的太陽能電池生產(chǎn)線布置方案最多的是直線式流片方式，如圖2 所示。

3 建設(shè)經(jīng)驗

晶體硅太陽電池生產(chǎn)線一般以產(chǎn)能25 MW/年為一條線，為節(jié)約占地面積和增加設(shè)備利用率，一般每個公司投資廠房都會按50 MW/年建設(shè)。這樣，廠房占地約2 400 m2（包括辦公區(qū)，但廢氣、廢水處理系統(tǒng)及氣罐不在此面積內(nèi)）。按照三班制生產(chǎn)來計算，操作人員應(yīng)有120 人左右，即每班30 人員，因此更衣室至少需要40 m2，如果男女更衣室獨立設(shè)置或者設(shè)有貴賓更衣室，則需要更大的面積；車間附近的衛(wèi)生間，應(yīng)至少能同時供10 人使用。

圖2 太陽能電池生產(chǎn)線布置

外圍動力包括空調(diào)、純水、壓空、真空、工藝?yán)鋮s水、變配電、通訊等。其中占地面積最大的是空調(diào)系統(tǒng)、純水設(shè)備及管道，如果在這幾個系統(tǒng)的方案上多做優(yōu)化，可節(jié)省很大的占地面積。廠房和動力站房有鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的多層建筑，也有鋼結(jié)構(gòu)加金屬復(fù)合板的單層建筑，但對廠房的層高有要求，一般生產(chǎn)車間凈化間層高是3 m，工藝管道布置在生產(chǎn)車間頂上，因管線眾多，為使外圍施工方便，生產(chǎn)車間層高應(yīng)不少于7 m。

生產(chǎn)線上的工藝設(shè)備和外圍設(shè)備設(shè)施用電功率總計在2 800 kW 左右，因此必須有可靠的電能供應(yīng)。進線變壓器需留有20%的余量。耗能最大的工藝設(shè)備是擴散爐和PECVD 設(shè)備（約300 kW/臺），外圍設(shè)備是空調(diào)機、工藝?yán)鋮s水制冷機。

工藝純水的用量在20 t/h 左右（單晶硅生產(chǎn)線），多晶硅生產(chǎn)線的用量要少一點，水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)達到中國電子級水的技術(shù)指標(biāo)GB/T11446.1-1997中EW-1 級。一般要求18 MΩ·cm。

工藝?yán)鋮s水用量也在15 t/h 左右，水中微粒直徑不大于10 μm，冷水機供水出口溫度宜在8～20 ℃，供水壓力0.5 MPa 左右，應(yīng)有可靠的供水溫度與供水壓力控制。建議水泵采用變頻控制，管道材質(zhì)宜采用剛性金屬管道，最好采用不銹鋼管道，但造價會高些。由于電池生產(chǎn)線是24 h 不停的生產(chǎn)，為保證不影響生產(chǎn)，增加可靠性，我們在整線設(shè)計時工藝?yán)鋮s水都會采用雙水泵供水，兩臺水泵交替工作，如果一臺水泵出問題，可馬上切換到另一臺水泵使用，壞的泵維修時不影響生產(chǎn)線的生產(chǎn)。這里要特別注意，使用兩臺泵時，兩臺泵出口管匯合處的三通管管徑要比單根管的大一些，即增加三通管內(nèi)水的容量，這樣切換泵時用水點壓力波動不會太大。

壓縮空氣用量在400 m3/h 左右，如果空氣品質(zhì)要求較高，需要達到壓縮空氣質(zhì)量等級的1 級甚至更高要求，建議使用無油空壓機，但是初投資成本也會較高。經(jīng)空壓機出來的壓縮空氣需經(jīng)干燥處理，一般采取冷干/ 吸附組合式干燥機。

N2和O2一般采用液體儲罐供應(yīng)的方式，這樣使用成本低。N2用量較大，儲罐容積一般用30 m3，O2用量很少，儲罐5 m3足夠，有的單位就用杜瓦瓶供氧。

SiH4、CF4、NH3等特殊氣體考慮安全因素，必須單獨設(shè)置一個特氣間。因為N2、O2、CF4、SiH4及NH3氣體所使用管道材質(zhì)必須是內(nèi)拋光不銹鋼管，比較昂貴，所以設(shè)計氣體站時應(yīng)盡量靠近用氣設(shè)備。但要特別注意，特氣房的墻是采用防爆墻，其中的泄爆墻必須朝向遠(yuǎn)離設(shè)備方向，且泄爆墻外應(yīng)無人經(jīng)常走動。

空調(diào)系統(tǒng)的空氣處理方式則視具體情況而定，最省錢的方式是采取組合式空氣處理機組+送風(fēng)口風(fēng)箱的模式，這種方式在小的太陽能電池公司或剛涉足太陽能電池行業(yè)的公司中應(yīng)用較普遍，他的不足之處是各房間內(nèi)的溫度不能獨立調(diào)節(jié)。建議采用多臺組合空調(diào)分工序共用的模式，這樣雖然前期成本高一點，但使用時可根據(jù)情況關(guān)掉部分功能，如擴散間，其內(nèi)部設(shè)備發(fā)熱量比較大，房間溫度較高，可不采用熱空調(diào)。而且擴散區(qū)對潔凈度要求較高，設(shè)計獨立的空氣處理系統(tǒng)對工藝影響小。

酸排氣量不小于10 000 m3/h，一般采用濕式洗滌、中和等處理方式。有機排氣量也不小于10 000 m3/h，一般采用干式吸附法處理。熱排風(fēng)量不小于13 000 m3/h，因為只是普通排氣，可不經(jīng)處理直接排放。但其抽風(fēng)穩(wěn)定性對工藝影響很大，所以要采用耐熱風(fēng)機，且設(shè)計時我們也是采用雙機配置，一用一備，確保生產(chǎn)不停頓。相對而言，硅烷處理要謹(jǐn)慎，一旦泄漏就會起火。所以要特別注意，PECVD 的排氣管道（真空泵至處理塔之間的管道）也要進行檢漏，一般的建設(shè)單位會忽略此程序，因為此段管道內(nèi)會有較多的未反應(yīng)的SiH4 氣體，且就在凈化間頂上，一旦泄漏也可能會引起火災(zāi)。

工藝設(shè)備二次配管過程中，每臺工藝設(shè)備都有不同的要求，應(yīng)按照供貨商和工藝工程師的要求來做。特別是廢水、廢氣排放管道不能接錯，否則可能產(chǎn)生交叉污染。

在外圍設(shè)施施工完成、調(diào)試過程中，特別要注意，水、電、氣在通入設(shè)備之前要做好全面的檢查工作，包括密封性、絕緣性試驗，確保無滲漏、無漏電。水、氣在進入設(shè)備前須將設(shè)備上方的閥門關(guān)閉，對外圍管道進行沖洗，務(wù)必保證管道內(nèi)清洗、吹掃干凈徹底，否則，設(shè)備一旦被污染，再次清洗不但代價昂貴，甚至?xí)斐芍卮髶p失。

整線建設(shè)完成后，運行維護是關(guān)鍵。太陽能電池生產(chǎn)線外圍設(shè)施是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，至少需要一支由5～6 名有一定理論基礎(chǔ)、有一定工作經(jīng)驗、動手能力強、富有高度責(zé)任感、凝聚力強的工程師組成的核心隊伍。不但要會操作設(shè)備還要掌握每個系統(tǒng)的功能、特點及相應(yīng)的連鎖關(guān)系，分析設(shè)備出故障時產(chǎn)生原因，對出故障多的設(shè)備進行統(tǒng)計，并以此為依據(jù)，把動力設(shè)備按照重要性分類，從而制定不同的保養(yǎng)計劃和巡查制度。

4 結(jié) 論

我們在整線建設(shè)時，特別是我們派往現(xiàn)場的管理人員，始終把客戶的需求擺在第一位，為客戶著想。在設(shè)計時充分與客戶溝通，對新客戶在簽合同前會詳細(xì)向其介紹生產(chǎn)線的組成，各外圍設(shè)施的布置位置、用途等，在整線建設(shè)過程中會要求客戶派外圍工程師一起工作，目的是讓其了解外圍設(shè)施的布置位置、管道走向等，并實時對其培訓(xùn)。所以，我們的整線建設(shè)能很快讓客戶上手，也得到了用戶的好評。

[1] 梁昌鑫，陳孝祺. 太陽能電池現(xiàn)狀及其發(fā)展前景[J].上海電機學(xué)院學(xué)報，2010，13（3）：182-186.

[2] 翁壽松. 太陽能電池及其設(shè)備[J].電子工業(yè)專業(yè)設(shè)備，2008，37(4):1-4.