破解大型硅锭领域内的原料之谜

太阳能行业内所使用的硅锭指的是在高纯度坩埚内精心固化的大块硅料。因为从中所切割出的硅片质量决定了最终太阳能电池的性能，因此，这些硅料的结晶质量备受关注。此种硅锭的制作是十分耗费资金的，几乎占到了最终太阳能电池总成本的三分之一。其中原料成本所占比例最大，但同时，设备折旧、受污染的坩埚、保护性气体、能源及产量损失等问题也同样对最终成本影响颇大。因此，太阳能领域内的硅片生产商热衷于提高设备的生产效率和产能。

逐渐变大的太阳能硅锭

由于生产成本与规模成比例地增长，硅锭的重量也持续不断地增加，从前几年的270kg增加至了现在的700kg。ITRPV在2015年公布的报告预测硅锭重量将在未来的四年内增加至1300kg。在过去，这种重量上的增长主要是通过增加坩埚和铸锭炉的尺寸来实现的。为了进一步对原料荷载进行最大化调整，需要对现有坩埚容量进行尽可能有效的填装，尽量避免原料块之间的空隙。原料块之间的空隙会在融化过程中坍塌，造成产出的硅锭比坩埚所能产出的最大尺寸薄上许多。

就好比一个旅行箱，如果衣服叠得整整齐齐，就可以放很多进去，用经过尺寸优化的原料填装坩埚看可以提高坩埚的荷载。在这里，关键的性能指标是“填充率”，即原料对给定空间的填充能力(也称“填充因子”)。传统硅料的填充率通常在75%一下，这就意味着高达四分之一的可用坩埚空间被浪费。

这一结果能够展示出不同的原料形态及其对填充率的影响。

坩埚装载：原料形态及填充率的拼图

取决于不同的提纯工艺，太阳能用原料硅可通过不同的形态或形状进行分类：西门子多晶硅和其他一些冶金方式(UMG-Si)通常会产出随机形状的原料块。即使多晶硅棒和UMG-Si均能完整地切割成圆柱体或硅砖，这种昂贵的工艺流程并没有获得被广泛应用的动力。而另一方面，流化床反应器(FBR)能够产出尺寸在1-3mm之间的小径颗粒。最后，早期铸锭阶段被筛选掉的材料(如顶部或底部的切割废料，以及破损硅片等)均可进行循环利用，从而降低原料费用。图一为装载了不同类型原料的坩埚。