计算机辅助研究多晶硅加工能耗问题

吴 磊 江训艳

（1.江西工程学院，江西 新余338000；2.新余学院，江西 新余338004）

0 引言

多晶硅生产领域的高能耗问题一直为社会各界所关注，光伏产品制造商通常被认为是高能耗、高污染的产业，文献[4]、文献[5]研究表明光伏组件在整个生命周期里面节约的能源将少于生产它所消耗的能源，即光伏发电技术的能源回收期高于它的生命周期，这样的一些看法影响了光伏技术的应用和推广，阻碍了光伏技术与其它新能源技术的竞争。当前我国太阳能光伏产业整体水平，尤其是产业发展的核心关键技术、装备等方面与技术领先国家相比较还存在较大的差距，导致我国光伏产业发展面临许多问题，目前有很多的研究也提到了类似的问题，如文献[3]、文献[8]。就研究手段而言，采用计算机辅助研究是现在的主流研究手段。

1 计算机辅助研究

计算机技术的发展为数学模型的建立和求解提供了新的舞台，极大地推动了数学向其他技术科学的渗透，同时计算机辅助设计、计算机辅助制造、计算机集成制造、计算机模拟、计算机仿真等材料科学中得到了广泛应用。 例如材料科学与行为工艺的模拟、材料加工过程的计算机控制、材料科学研究中的数据与图像处理等，课题采用计算机辅助计算、分析、模拟研究多晶硅生产加工能耗问题，有利于问题的分析和解决。

2 改良西门子法

多晶硅生产的西门子工艺，其原理就是在1100℃左右的高纯硅芯上用高纯氢还原高纯三氯氢硅，生成多晶硅沉积在硅芯上。改良西门子工艺是在传统西门子工艺的基础上，同时具备节能、降耗、回收利用生产过程中伴随产生的大量H2、HCI、SiCI4等副产物以及大量副产热能的配套工艺。目前世界上绝大部分厂家均采用改良西门子法生产多晶硅。

图1 改良西门子法原理图

3 实验方案

首先根据多晶硅加工流程，找出多晶硅能耗大的影响因素，建立多晶硅能耗研究数学模型，通过数学模型的求解与分析，找出多晶硅能耗的关键性影响因素，并研究这些因素对硅生产效率的影响度，在仿真分析研究的基础上，制定多晶硅能耗的控制策略和总体方案，最后依据多晶硅能耗的控制策略和总体方案，用少量硅进行反复实验研究，形成一套完成的光伏材料多晶硅加工能耗问题的理论体系。

4 实验与结果

多晶硅生产消耗工业硅原料：1.5kg，即每生产1kg高纯多晶硅需要1.5kg冶金硅；拉制硅棒或浇铸硅锭消耗高纯多晶硅：1.2kg，即1kg硅锭/硅棒需要1.2kg高纯多晶硅；1kg硅棒或硅锭可以切60片125×125mm的硅片（薄片可切70～90片），每片平均制造2.4Wp太阳电池，合计为：144Wp/kg。

制造每瓦太阳电池需要的高纯多晶硅：1200g/144Wp=8.3g/Wp，（国内先进水平：6g/Wp）；

制造每瓦太阳电池需要的工业硅：1.2×1.5×1000g/144Wp=12.5g/Wp；根据上述参数计算，得到各环节电力消耗情况如下：

太阳电池组件产率＝98%(即封装成品率)，全部能量消耗：

5 总结

通过文献查阅和下厂实地考察，掌握各种生产技术和条件下多金硅生产加工的实际能耗数据，再用计算机技术建模，进行数值分析，模拟生产过程，计算、分析结果，与实际多金硅生产加工能耗数据进行对照，分析影响多晶硅加工能耗的因素，模拟计算多晶硅加工的能耗，为研究多金硅生产加工各环节能耗降低的空间提供参考。

［1］段连.新型多晶硅还原炉温度 流动和能耗的模拟[D].天津大学,2013-06-01.

［2］胡韶华.现代数控机床多源能耗特性研究[D].重庆大学,2012-04-01.

［3］多晶硅：高污染、高耗能YESor NO？[N].中国能源报,2009-11-16.

［4］硅烷热分解生产多晶硅的三维模拟[J].人工晶体学报,2012-12-15.

［5］田林,等.多晶硅生产的研究现状及发展趋势[J].云南冶金,2011-06-25.

［6］侯彦青.改良西门子法制备多晶硅过程的理论分析及建模[D].昆明理工大学,2012-10-07.