太陽能是一種重要的、新的、有效的可再生清潔能源，其儲量巨大，沒有環境污染，充滿了誘人的前景。目前太陽能光電方面的研究和應用在全世界范圍內方興未艾，相關太陽能光電工業發展迅速，是令人矚目的朝陽產業。 太陽能級晶體硅的生產需要用到一些相應的生產設備，如多晶硅鑄錠爐和單晶生長爐。目前，我國有超過30家企業在生產多晶硅鑄錠爐和單晶爐。產品分別是北京京運通JZ-450型、浙江精工JJL240、JJL500型、上海漢虹HXH-270/450型、北京京儀世紀VB-450型、中國電子第48所R13240-1/R13450-1型、常州華盛天龍DRZF450澆鑄型、上虞晶盛機電MCS450型等。現推出中國晶體硅生長爐設備調查。 多晶硅鑄錠爐發展迅速 太陽能產業的迅猛發展需要更多的硅料及生產設備來支撐。世界光伏產業中，多晶硅片太陽能電池占據主導地位，帶動了多晶硅鑄錠生長設備市場的發展。目前，全球太陽能電池的主流產品為硅基產品，占太陽能電池總量的85％以上。多晶硅太陽能電池占太陽能電池總量的56%。多晶硅太陽能電池由于產能高，單位能源消耗低，其成本低于單晶硅片，適應降低太陽能發電成本的發展趨勢。多晶鑄錠生長技術已逐漸發展成為一種主流的技術，由此也帶動了多晶硅鑄錠爐市場的發展。多晶硅鑄錠爐作為一種硅重熔的設備，重熔質量的好壞直接影響硅片轉換效率和硅片加工的成品率。 目前，我國引進最多的是GT SOALR（GT Advanced Technologies Inc.，以下簡稱GT） 的結晶爐。在國際多晶硅鑄錠爐市場上，市場份額占有率最高的為美國GT公司和德國ALD公司。GT公司市場主要面向亞洲，在亞洲的市場銷售額占其收入的60%；ALD公司主要面向歐洲市場。其他多晶鑄錠設備的主要國際生產商還有美國Crystallox Limited、挪威Scanwafer、普發拓普、和法國ECM。德國ALD公司生產的多晶硅鑄錠爐投料量為400kg/爐；美國Crystallox Limited公司為275kg/爐；挪威Scanwafer公司生產的多晶硅鑄錠爐可同時生產4錠，投料量達到800～1000kg/爐，該設備屬于專利產品，暫時不對外銷售；法國ECM生產的多晶硅鑄錠爐采用三溫區設計，提高了硅料的再利用率高。 國內的保定英利、江西賽維LDK、浙江精功太陽能都是引進GT的結晶爐。從早期160公斤級到240公斤級，目前容量已增加到450公斤級甚至到800公斤級。2003年10月國內第一條鑄錠線在保定英利建成，2006年4月LDK項目投產，百兆瓦級規模生產啟動。隨后，尚德、林洋、CSI等眾多企業多晶硅電池開始量產。2002年, 30~50kg的小型澆鑄爐研發；2004年, 100kg試驗型熱交換型鑄錠爐研發；2007年, 240kg大生產型定向凝固爐研發成功并推向市場。 2007年，我國首臺多晶硅鑄錠爐由浙江精功科技股份有限公司研制成功并生產，多晶硅鑄錠爐迅速呈現出國產化的趨勢，目前，國內已有幾家企業能夠生產出擁有自主知識產權的多晶硅鑄錠爐，如：北京京儀世紀電子股份有限公司、上海漢虹精密機械有限公司、浙江精功科技股份有限公司、北京京運通科技股份有限公司、中國電子科技集團公司第四十八研究所、精工機電研究所有限公司、上海普羅、寧夏日晶等。 與國外相比，我國多晶硅鑄錠爐技術研發和生產起步較晚。我國2002年完成了30～50kg小型澆鑄爐的研發，2004年完成了100kg實驗型熱交換型鑄錠爐的研發，2007年和2008年分別完成了240kg大型定向凝固爐和450kg大容量鑄錠爐的研發并成功推向市場，目前正在向800kg投料量的更大型號的鑄錠爐發展。從整體技術水平看，我國多晶硅鑄錠爐的制造技術水平和國外相比還要滯后1～2年，技術創新能力有待加強，特別是在熱場工藝方面的研究尚顯不足；但在加熱器、隔熱籠、真空系統、安全性、節能以及工藝控制軟件設計等方面，國內也有新穎之處，已逐步接近國外技術水平。但我國鑄錠爐仍然需要在仍然需要在兩方面加大速度，一是降低能耗方面：加大硅錠質量，優化熱場設計；二是提高質量方面：晶體質量、雜質分布，和單晶硅競爭。 單晶爐研發較早 單晶爐方面，1961年，在中國科學院半導體物理所林蘭英院士的親自指導下，北京機械學院工廠（西安理工大學工廠的前身）的技術人員與半導體物理所的技術人員共同研制出了我國第一臺人工晶體生長設備—TDK-36型單晶爐，并且成功拉制出了我國第一根無位錯的硅單晶，單晶質量接近當時的國際先進水平，TDK-36型單晶爐投料量只有1kg，拉制單晶直徑Φ35mm。1972年，研制出能夠生長73 mm(1．5英寸)的單晶爐；1973年開發了TDR-40型單晶爐，投料量3kg，單晶直徑Φ50mm。1978年，開發了TDR-50型單晶爐，投料量12kg，拉制單晶直徑Φ75mm。 隨著集成電路的迅猛發展，對硅單晶的直徑要求越來越大，單晶爐也不斷向大型化發展，1979年，研制出能夠生長50 mm(2英寸)的單晶爐；1983年，研制出能夠生長75 mm(3英寸)的單晶爐；1991年，研制出能夠生長100 mm(4英寸)的單晶爐；1996年，研制出能夠生長1 500 mm(6英寸)的單晶爐；1998年，研制出能夠生長200 mm(8英寸)的單晶爐；到目前為止，我國的晶體生長設備-單晶爐已經能夠滿足穩定生產200 mm集成電路級的硅單晶，能夠滿足規模生產212 mm(8．5英寸)的太陽能光伏電池級硅單晶的能力；目前，一些設備生產單位正在研制300 mm(12英寸)的硅單晶爐。 目前在國內市場上運行的單晶爐有十幾種型號，而國產設備也有8種之多，由于近年來硅單晶材料市場形勢發展良好，硅單晶生長設備需求量激增，使得現有硅單晶生長設備生產廠家銷售量急速增大，同時也激發了更多公司投資硅單晶生長設備的生產制造，使得該行業競爭激烈的同時也暴露出了很多問題。在國內生產單晶爐的企業有幾十家，其中具有代表性的單晶爐生產企業有西安理工晶科、京運通、華龍光電、京儀世紀、上海漢虹、寧夏日晶等。以上所述企業，基本上都是以提拉法拉制單晶。 典型企業分析 江蘇華盛天龍光電設備股份有限公司（原常州華盛天龍機械有限公司、江蘇華盛天龍機械股份有限公司）今年1月5日推出DRZF-450型多晶硅澆鑄爐，生產出第一爐多晶硅錠凈重420KG，使其晉升為國內太陽能電池硅材料生產、加工設備領域中產品種類最齊全的企業之一。另外該公司生產的DRF-85A型單晶硅晶體生長爐可以使用18英寸或20英寸的熱系統，投料60公斤-90公斤，拉制6英寸～8.5英寸硅單晶。其創新之處為：1.從節能降耗、經濟合理方面考慮，將真空爐室尺寸設計為φ850mm×1250mm(直徑×高度)，主爐室分上下兩部分，大大節約能耗；創造性地設計了導流筒提升機構，增大了投料量，提高了生產效率；從穩定可靠方面考慮，優化設計了晶體提拉旋轉機構，同時對上傳動機構進行動平衡設計，保證高速下的穩定性；控制系統采用獨有的創新算法和控制原理，合理設計信號采集與處理方法，使控制精度更高更可靠。華龍光電2010年經營收入4.52億，同比增長52.63%，歸屬母公司利潤8538萬，同比增長24.83%。其中單晶爐同比銷售增長1.91億元，增長比例81.5%。另外，該公司與日本株式會社住友金屬Finetech等公司開展合作研發，對公司現有單晶爐產品進行技術改造和升級。基于技術和生產方面的合作需要，華龍光電已與株式會社住友金屬Finetech、明德貿易株式會社簽訂了三方的合作意向書和保密協議。三方的合作目的是：提高公司生產硅單晶爐的技術性能，提高設備的性價比；滿足國際市場對硅單晶爐優質優價的需求，增強競爭力，提高市場占有率。合作的方式是：株式會社住友金屬Finetech向華盛天龍提供其擁有的最先進的技術和生產工藝，華盛天龍和明德貿易株式會社根據其提供的技術文件和工藝設備生產其所需的硅單晶爐的關鍵部件。 據悉，國內單晶爐投料量大多在120公斤以內。其中由河北晶龍陽光設備有限公司自主研發設計的JL-CZ120新型單晶爐用于拉制8-10英寸單晶硅棒，可兼容22英寸、24英寸兩套熱場，投料量達到120公斤以上，滿足了市場對大直徑單晶設備的需求。并于2011年8初實現批量化生產，并順利投入使用。該公司定型產品有CZ-70、CZ-80、CZ-90、CZ-110系列。產品突出技術特點是采用了PLC自動控制系統、自主創新的熱系統、磁性流體密封、功率因數補償、諧波抑制等技術，實現熱場的恒溫控制，滿足了穩定、連續、高效、自動控制Φ6〞～Φ12〞無位錯低氧碳單晶的要求,產品具有高效、節能、環保、自動化等優點。 北京京運通科技股份有限公司是我國真空晶體生長設備（包括軟軸單晶爐、多晶硅鑄錠爐、區熔爐、多晶硅還原爐等） 研發制造于一體的專業生產廠家，其生產的單晶爐配置工業控制計算機，以人機界面/觸摸屏的形式實現晶體生長的自動控制。 同時CCD技術的應用提高了等經控制精度和晶體生長良品率，根據晶體生長的工藝特點，結合熱場設計進行計算機輔助控制的軟、硬件開發工作，正向國際先進水平靠攏。同時不斷研發新的產品，JRDL-900型單晶爐、QR-400區熔高阻單晶爐、多晶硅還原爐等科技含量更高的設備相繼下線，進入市場，躋身于世界上單晶爐銷售數量最多的光伏設備制造商。2003年，公司自主研發成功5英寸單晶硅生長爐并實現產業化推廣，打破了同類產品被國外公司壟斷的格局，奠定了國內光伏設備產業的領軍地位。此后，公司相繼推出6英寸、6.5英寸、8英寸單晶硅生長爐，并于2010年開始大尺寸單晶硅生長爐（12英寸）的樣機試驗和區熔單晶硅爐的樣機制造，新產品開發始終走在國內前列。目前，公司已累計銷售單晶硅生長爐超過2,000臺，在國內市場保有率處于首位。2008年，公司自主研發成功多晶硅鑄錠爐并實現產業化推廣，以其較高的性價比優勢迅速占領國內市場，成為僅次于美國GT公司的國內第二大供應商。公司累計銷售多晶硅鑄錠爐超過500臺，在國內市場保有率名列前茅。截至去年底，公司已累計銷售單晶硅生長爐超過2000臺，在國內市場保有率處于第一位，公司累計銷售多晶硅鑄錠爐已超過500臺，在國內市場保有率同樣是名列前茅。 上海漢虹精密機械有限公司的HXH-270/450型多晶硅鑄錠爐融合了多種當代新技術，裝料量大，能大幅提升產能。 由于采用獨特的陶瓷纖維+石墨硬氈雙重安全防護設計并有自動漏硅感應系統，可及時啟動漏硅應急措施。HXH－270/450型是通過引進日本技術，針對太陽能電池市場需求而開發的高性能多晶硅鑄錠設備。該設備將多晶硅碎塊料、頭尾料、堝底料、各種單晶廢片等材料裝入爐內化料的石英坩堝內，經融化、重新定向結晶及退火等工藝,鑄成生產太陽電池的前道原料多晶硅錠。止到2010年2月初,漢虹精機多晶鑄錠爐出貨實現100臺，單晶爐出貨755臺，簽單總量近1000臺。 上海普羅新能源有限公司自行研制、具有多項自主知識產權的RDS4.6系列多晶硅鑄錠爐，單爐產量標稱1800公斤，最大可達2000公斤，每爐可同時對四個坩堝進行鑄錠，可采用目前光伏產業傳統的450公斤標準坩堝，也可采用加高的500公斤坩堝。該爐型不僅具有能耗低、產量大、易操作和維護量少等優點，經過無數爐的實際測試，其合格硅錠可切片合格率>67%，硅片的轉換效率可達16.8%以上，鑄錠質量可達到國際同類最高水平。 北京七星華創電子股份有限公司（簡稱“七星電子”）的CS300質量流量控制器以其壓力補償技術，代表了國內最先進的技術水平。西安理工晶體科技有限公司自1961年研制成功我國第一臺單晶爐以來，已定型生產12大系列、近百種型號電子專用設備。它涉及半導體、光學及激光、化合物、氧化物、氟化物等晶體材料以及多晶硅、合金材料、人工寶石等高科技領域。 今年，寧夏日晶新能源裝備公司也推出了一系列的新產品：全自動單晶爐，在以前的NXRJ-CZ85爐、90爐、以及95爐基礎上，推出了最新型的爐型型號NXRJ-CZ105爐，裝料150公斤。技術特點：設備穩定、裝料量大，裝料后 從抽真空、化料、引晶、放肩/轉肩、等徑、收尾都可以實現自動化控制。最新型的人機對話控制界面，使拉晶變得越來越簡單控制，是在此次調查中國內性價比比較高的單晶爐。多晶鑄錠爐方面，日晶在原來成熟穩定的500系列爐型基礎上，推出了660系列的多晶鑄錠爐，型號：NXRJ-MC660系列爐型，最大裝料可達800公斤。技術特點：NXRJ-MC660系列爐型，在繼承了NXRJ-MC 500系列爐型安全、穩定、操作簡單、鑄錠成品率高的高性價比的優點上，增加了大投料量，可使單位生產成本更加的低。滿足了廣大客戶的需求。 河南鳳凰研制出新型鑄錠爐，可以鑄錠準單晶。溫州永泰于今年11月左右會推出大容量鑄錠爐，型號為GEH500，技術特點：最大投料量500KG。12月左右推出類單晶鑄錠爐，型號為GECH500，技術特點：以鑄錠方式生產單晶硅。10月推出大容量單晶爐 型號為CF1200 ,技術特點：最大投料量在260KG，單晶直徑在18英寸。
2011年國內多晶硅鑄錠爐新增需求增幅回落到40%左右的水平，而國內規模化廠商迅速開始了進口替代過程，實際增長率依然超過200%甚至更多。2010年國內硅片廠商新增產能達到12GW左右，而2011年則超過16GW。我們估測2011、2012年國內多晶硅鑄錠爐新增需求在1958臺、2513臺左右。但2012年以后，大規模的進口化替代告一段落，需求增長也將回歸到30%左右的行業正常速度。多晶硅鑄錠爐單次投料量大，產出高，生產耗電是單晶硅生長爐的10%~12%，而多晶硅電池片轉換效率僅比單晶硅電池片低1-2個百分點，其低成本優勢符合光伏應用普及化的趨勢，在全球太陽能電池中的應用比例不斷擴大。隨著我國硅片生產企業規模的擴大，對多晶硅鑄錠爐的需求也逐漸增長。 多晶硅鑄錠爐的關鍵技術一直由美國、歐洲公司壟斷，國外長期以來對我國實行技術上的嚴密封鎖，我國多年來一直處于受制于人的局面。美國GT Solar公司的多晶硅鑄錠爐占據了我國絕大部分市場。從1994年最初研制的熱交換法（HEM）鑄錠爐到近年推出的DSS450HP晶爐，GT Solar的鑄錠爐技術已經歷了5次重大創新。這些重大創新主要體現在機械設計、真空與高壓室、控制系統設計、晶體生長模型等方面的技術創新。首先，定向凝固的方法，從最初的熱交換法更新到熱交換法與布里曼法（強制冷卻和將坩堝移離熱源）相結合的方法，使得鑄錠效率增加；第二，投料量逐步增大，從240kg到450kg；第三，鑄錠工藝上的更新，如運行周期從大約60h縮短到50h；第四，熱場的改進，使得多晶鑄錠的能耗進一步降低。我國晶體長生爐設備還有很多不足之處，與國際先進水平尚有一些差距。晶體生長爐還將不斷向大直徑、高質量、產業化方向發展。 太陽能光伏網 |
