用于晶體硅爐的紅外線反射保溫涂料及制備工藝與應用
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種保溫涂料，尤其是涉及一種用于晶體硅爐的紅外線反射保溫涂料及其制備工藝與應用，屬于光伏太陽能技術領域。
【背景技術】
[0002]光伏發電是一種新能源，通過光伏效應可以將太陽能轉變成為電能，一般而言，陸基光伏發電依據不同的發電材料，其轉換效率在10-30%。光伏發電自廣泛應用以來，全球已經有上百個GW的使用規模，從獨立戶用發電系統，集中式村莊供電系統，混合或互補發電系統，到并網發電系統等，正在邁向較大規模的商業化應用。
[0003]光伏發電組件的主要構件是太陽能級晶體硅片，其成本占到發電組件成本的一半以上。
[0004]硅晶體的生長，一般分為多晶鑄錠，單晶提拉以及區熔生長三種方法，隨著晶體硅光伏產品的大規模應用，太陽能級晶體硅片產業的不斷發展，成熟，硅片作為原材料，其價格逐漸回落，導致硅片生產廠家利潤空間不斷被壓縮。降低硅片生產成本成為擺在所有太陽能硅片生產廠家面前的急迫問題。硅片生產主要由晶體生長及晶體切割兩大工序，而晶體生長是制造高質量硅片的關鍵工序。在晶體硅生長過程中一般有熔化-長晶-退火-冷卻四個步驟，多晶硅料放在全碳熱場中，加熱到硅熔點1413°C以上，然后晶體開始生長，生長完成后進行溫度均勻化的退火過程，最后緩慢冷卻降至常溫。
[0005]依據單晶、多晶的生長工藝以及投料量的不同，整個晶體生長過程需要3-4天不等；此外，單晶爐、多晶爐等作為生產硅晶體的主要設備，也在進行小改大的熱場升級改造以提高產能，降低單位產品生產成本，如將多晶鑄錠從現有的500公斤左右的G5硅錠(一次生長5x5=25塊小方錠)升級成800公斤的G6硅錠(一次生長6x6=36塊小方錠)，將單晶爐的22英寸熱場升級到24英寸，甚至26英寸熱場，單個晶棒可以達到180公斤。在硅晶體生長過程中，耗電是除原生硅料以外最大的成本部分，由于熱場需要長時間運行在100tC以上，設備的平均功耗單晶爐一般在45KW，鑄錠爐一般在65KW以上。以多晶鑄錠爐生長G6硅錠為例，一次生長耗電在5600度上下，達7度/公斤的水平，而單晶爐由于投料量小于多晶，其單位能耗約在20度/公斤以上。
[0006]以目前國際上主流GT型的鑄錠爐生長G6硅錠為例，其整個生長過程為75-80小時，其中加熱升溫階段約8h，高溫熔化階段約18個小時，長晶約需40個小時，后續的退火及冷卻為12h左右，硅錠凝固之后，仍然處于100tC以上的高溫，因此整個過程中，石墨加熱器一直持續發熱，然后逐漸降低功率至零，直至硅錠冷卻到室溫。
[0007]在晶體生長及熔化等過程中，除了加熱器持續發熱之外，還需要一定厚度的保溫材料對系統進行保溫，目前，單晶爐多采用70-80毫米厚的碳氈(軟氈或者硬氈)圍成圓筒狀熱場，加熱器在保溫層內發熱，同時硅料等被加熱到硅熔點之上而熔化；多晶鑄錠爐則采取90毫米厚的固化氈組成一個六面形熱場，加熱器在保溫層內發熱，同時硅料也被加熱到硅熔點之上而熔化，然后才開始冷卻緩慢生長。
[0008]如前所述，現有硅晶體爐的熱場，多采用碳氈進行保溫，碳氈具有耐高溫，抗腐蝕，熱導率低的特點，主要用于還原性氣氛中晶體生長的保溫。其中碳氈又分為固化氈和軟氈等種類。
[0009]通過選擇合適的厚度，可以對硅晶體爐實現有效的保溫，即使保溫層內部的熱場溫度達到1450°C，達到硅熔點之上，其保溫層外部的溫度也僅有300-500°C，因此可以有效地對熱場內部各個部分，如坩禍，硅料等進行加熱升溫。
[0010]盡管目前廣泛采用碳氈保溫，可以滿足各種硅晶體爐的保溫需要，但是持續提高保溫效果，降低能耗是降低整個光伏發電成本的努力方向。
[0011]為了提高目前碳氈的保溫能力，制造碳氈的原材料逐步發生改變，聚丙烯腈基(PAN)的軟氈及固化氈正在被保溫效果更好的粘膠基碳氈所取代。雖然保溫效果得到了提高，但是保溫氈的原材料比之前的聚丙烯腈基碳氈要貴，無形中也增加光伏發電產品的整個成本。
[0012]另外，這些保溫碳氈材料僅僅是具有很低的熱傳導系數，約為0.15ff/m.Κ (室溫)，其熱輻射的阻隔能力依然偏弱，具體表現在硅晶體爐的高溫熱場環境下，熱傳播主要以輻射為主，此時的碳氈綜合導熱系數急劇升高，是其常溫下的10倍左右，達到了 1.5-2 W/m.K。主要原因在于加熱器的輻射熱量主要是以紅外線發射為主，但是保溫的碳氈其紅外透射率大，很多熱量以紅外線的形式輻射出來，造成了熱量白白的浪費。
【發明內容】
[0013]本發明所要解決的技術問題是，克服現有技術存在的上述缺陷，提供一種能夠對高溫熱場環境下的紅外線輻射熱進行反射處理，降低能耗；提高晶體硅爐熱場抗腐蝕性的晶體硅爐熱場紅外線反射保溫涂料及其制備工藝與應用方法。
[0014]本發明解決其技術問題所采用的技術方案是:
本發明之晶體硅爐的紅外線反射保溫涂料，由以下重量百分比的原料制成:紅外線反射粉末材料30-60%，粘結劑30-60%，溶劑10-40%。
[0015]進一步，所述紅外線反射粉末材料由Ti02、A1203、ZnO、Zr02、S12*的一種或兩種以上的混合物組成。
[0016]進一步，所述粘結劑為環氧樹脂、呋喃樹脂、酚醛樹脂或有機硅樹脂。
[0017]進一步，所述溶劑為有機溶劑或水。所述有機溶劑優選酒精、丙酮或丁醇。
[0018]進一步，所述紅外線反射粉末材料的粒度為0.01 μ m-500 μ m (優選0.01 μm-500 μm)。
[0019]本發明之晶體硅爐的紅外線反射保溫涂料的制備工藝，包括以下步驟:按所述重量百分比稱取所述紅外線反射粉末材料、粘結劑、溶劑，攪拌均勻，即成。
[0020]所述晶體硅爐的紅外線反射保溫涂料的應用:(I)對晶體硅爐熱場中靠近加熱器側的保溫層和/或襯套表面用200?400目的砂紙打磨平整，用吸塵器吸去浮塵；(2)將本發明晶體硅爐的紅外線反射保溫涂料均涂于經步驟(I)處理后的保溫層和/或襯套表面，涂覆厚度10?500 μπι; (3)將經步驟(2)處理后的保溫層和/或襯套，在室溫條件下放置0.5-lh后，置于烘箱中，升溫80?180°C后，保溫烘烤I?2小時；(4)將經步驟(3)處理后的保溫層和/或襯套，置于高溫爐中，以60-90°C /h的升溫速率升溫至1200?2100°C后，保溫10?20小時，隨爐冷卻至室溫，即得成品。
[0021]研究表明，當爐體溫度在900°C以上時，熱量傳遞以輻射為主，輻射傳熱是對流傳熱的15倍，占80%以上。高溫輻射能量波長大多數集中在I?5 μπι波段，比如1000°C和1300°C時，分別有76%和85%的輻射能量集中在這一波段內，相應的，我們可以使用抗高溫，耐腐蝕的紅外線反射粉末來完成一個紅外線反射涂層，涂覆在熱場內壁。隨著工作溫度的提高，輻射能量波長集中在紅外線熱量的百分比增加，因此紅外線反射的效果越來越明顯。
[0022]與現有技術相比，本發明具有以下有益效果:
(1)使用本發明晶體硅爐熱場紅外線反射保溫涂料，能夠將晶體硅爐的高溫熱場環境中的紅外線輻射熱反射回熱場中，起到保溫降耗的作用，可降低能耗5%_20% ;
(2)晶體硅爐中使用本發明晶體硅爐的紅外線反射保溫涂料，涂層結構致密，能夠保護襯套和保溫層，具有很好的耐磨性、耐腐蝕性，特別可以抗晶體硅爐中S1等氣氛的腐蝕，延長熱場使用壽命；
(3)本發明晶體硅爐熱場紅外線反射保溫涂料與基體結合力強，涂料能滲入基體形成過渡層和涂層結構，具有良好的耐機械沖擊和熱沖擊能力；
(4)本發明晶體硅爐熱場紅外線反射保溫涂料中的紅外線反射粉末材料主要是金屬氧化物等各種陶瓷粉末材料，其性質與裝載硅料的石英坩禍性質相似，因此不會對硅晶體的質量產生影響。
【具體實施方式】
[0023]以下結合實施例對本發明作進一步說明。
[0024]實施例1
本實施例之晶體硅爐熱場紅外線反射保溫涂料，由以下重量百分比的原料制成:紅外線反射粉末材料30%，粘結劑30%，溶劑40% ;所述紅外線反射粉末材料為1102粉(粒度為0.01 μπι);粘結劑為呋喃樹脂；溶劑為酒精(工業酒精)。
[0025]制備:按所述重量百分比稱取所述紅外線反射粉末材料1102粉、粘結劑呋喃樹脂、溶劑酒精，攪拌均勻，即得紅外線反射保溫涂料。
[0026]應用:(1)對晶體硅爐(多晶硅鑄錠爐)熱場中靠近加熱器側的保溫層表面用200目的砂紙打磨平整，用吸塵器吸去浮塵；(2)將所述紅外線反射保溫涂料均涂于經步驟(I)處理后的保溫層表面，涂覆厚度10 μπι ; (3)將經步驟(2)處理后的保溫層，在室溫條件下放置0.5h后，置于烘箱中，升溫至180°C后，保溫烘烤I小時；(4)將經步驟(3)處理后的保溫層，置于高溫爐中，以60°C /h的升溫速率升溫至1800°C后，保溫10小時，隨爐冷卻至室溫，即成。
[0027]與保溫層未涂覆本發明紅外線反射保溫涂料的晶體硅爐熱場相比，保溫層涂覆有本發明紅外線反射保溫涂料的晶體硅爐熱場，節能5%，延長熱場使用壽命約6個月。
[0028]實施例2
本實施例之晶體硅爐的紅外線反射保溫涂料，由以下重量百分比的原料制成:紅外線反射粉末材料60%，粘結劑30%，溶劑10% ;所述紅外線反射粉末材料為Al2O3粉(粒度為500 μπι);粘結劑為環氧樹脂；溶劑為水。
[0029]制備:按所述重量百分比稱取所述紅外線反射粉末材料Al2O3粉、粘結劑環氧樹月旨、溶劑水，攪拌均勻，即得紅外線反射保溫涂料。
[0030]應用:(I)對晶體硅爐(單晶爐)熱場中靠近加熱器側的襯套表面用400目的砂紙打磨平整，用吸塵器吸去浮塵；(2)將紅外線反射保溫涂料均涂于經步驟(I)處理后的襯套表面，涂覆厚度50 μπι ; (3)將經步驟(2)處理后的襯套，在室溫條件下放置Ih后，置于烘箱中，升溫至80°C后，保溫烘烤2小時；(4)將經步驟(3)處理后的襯套，置