CN116325179A - 制造太阳能电池的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于制造太阳能电池的方法,包括以下步骤:a)提供基底(2)在沉积设备(1)中具有正面(21)和背面(22),和b)在原位使用两层涂覆基底(2),包括b1)通过将基底暴露于含氧气体和第一等离子体来氧化以产生氧化物层(3),和b2)随后通过暴露于含硅气体、任选的含碳气体和第二等离子体来沉积硅层(4)或SiC层,其中步骤b)在真空下在沉积设备(1)中进行,并且在步骤b)期间连续保持真空。
Description
技术领域
本发明涉及一种制造太阳能电池的方法。更具体地,本发明涉及一种具有化学气相沉积(CVD)的特征的太阳能电池生产方法。
背景技术
在专利US 10243090B2文件中描述了一种方法,其中通过LPCVD(低压化学气相沉积或低压CVD)在基底上沉积以氧化物形式形成的隧道层,以及其后的掺有杂质的半导体层。这种方法的缺点是掺有杂质的半导体层的沉积速率低,导致产量损失和操作成本增加。
因此,本发明的目的是提供一种具有成本效益的生产太阳能电池的方法。
这个目的通过具有权利要求1记载的特征的方法来实现。从属权利要求中阐述了有利的发展和修改。
发明内容
本发明涉及一种用于制造太阳能电池的方法,包括以下步骤
a)在沉积设备中提供具有正面和背面的基底,以及
b)在原位使用两层涂覆基材,包括
b1)通过将基底暴露于含氧气体和第一等离子体来氧化基底,以产生氧化物层,或者通过PECVD沉积的氧化物层,以及
b2)随后通过暴露于含硅气体、可选的含碳气体和第二等离子体来沉积硅层或SiC-(碳化硅)层,
其中步骤b)在真空下在沉积设备中进行,并且在整个步骤b)中保持真空。
在第一方法变型中,该方法通过步骤b1)中的等离子体氧化和步骤b2)中的PECVD(等离子体增强化学气相沉积)来实施。第一方法变体中的等离子体氧化操作不是PECVD步骤,因为它不涉及成层气体。相反,基底在表面被氧化,等离子体中形成的自由基或氧离子穿透基底。或者,在第二方法变型中,该方法在步骤b1)和b2)中仅通过PECVD来执行。在第二方法变型中,使用含氧气体结合成层气体来实施步骤b1),因此氧化物层沉积在基底上。对于上述两种方法变型,步骤b2)优选直接在步骤b1)之后进行和/或优选在相同的沉积设备中进行,使得在步骤b)中产生两层的生成之中不需要装载和卸载程序以及排空和充气程序。这额外节省了时间和成本。在步骤b1)中产生的氧化物层优选考虑配置为薄层。层厚度优选在1-2nm的范围内,更优选1.2-1.5nm。在步骤b2)中产生的层厚度可以在例如20至200nm的范围内。步骤b2)中沉积的层可以是无固定形状的。
通过含氧气体混合物中的低压等离子体,在步骤b1)中产生相对高浓度的活性氧原子或氧离子(O-、O2 -),从而在基底表面上形成氧化层。可选地,薄的氧化物层(例如,氧化硅层)可以通过使用成层气体(例如,硅烷SiH4)和氧化气体(例如,CO2、N2O或O2)的PECVD来沉积。
除了不包含外来原子或包含误差容限范围内的这种原子的“纯”氧化物层之外,步骤b1)中生成的氧化物层还可以被配置为掺杂的或氮化的氧化物层。例如,在步骤b1)中产生的氧化物层可以是掺有磷或硼的层。在这种情况下,对于步骤b1)中的掺杂,除了含氧气体(混合物)和任选的成层气体之外,还使用含磷气体,例如磷化氢(PH3)或乙硼烷(B2H6)。为了氮化氧化物层,可以采用使用SiH4和N2O的PECVD方法。
氧化物层优选是氧化硅层。在这种情况下,所使用的成层气体可以包括硅烷。可选地,氧化硅层可以通过氧化硅的基底来产生。可选地,它是氧化铝层。在这种情况下,所用的成层气体优选包括三甲基铝(TMAl),所用的含氧气体或氧化剂包括N2O。
考虑到产生步骤b)中产生的两层所需的类似操作温度和操作压力,在本发明的方法中也不需要昂贵且不方便的加热和冷却时间或排气/通气操作;所需要的只是在步骤b1)和步骤b2)之间改变工作气体。
第一等离子体和第二等离子体可以用相同或不同的操作参数操作。
步骤b)在真空下在沉积设备中进行,在整个步骤b)中保持真空。这意味着在步骤b1)和b2)之间不进行完全的通气过程,作用于沉积设备中的气压。然而,在步骤b1)和b2)之间,沉积设备中的压力可能改变,但是真空不会中断。在步骤b)期间,沉积设备中的压力优选保持低于例如10mbar。
基底的背面优选经历步骤a)和b)。因此背面可以提供有隧道层和/或表面钝化。
优选地,在步骤b1)和b2)之间,基底不在沉积设备内的空间移动。换句话说,沉积发生在同一个操作室中。该方法为批处理方法。
在一个优选的实施方案中,步骤b)中在压力为0.1至5.0mbar或0.1至10.0mbar范围内的低压等离子体进行。使用低压等离子体方法的优点是等离子体在沉积设备中分布更均匀,工作气体的消耗相对较低,并且工作温度相对较低。
步骤b)优选用激发频率在10至500kHz或30至50kHz范围内的低压辉光放电(低压等离子体)进行。低压辉光放电的一个优点是,用于层形成/氧化分子分裂(离解)的能量不是通过外部提供的热量实现的,而是通过等离子体中的加速电子实现的,这意味着该操作可以在比LPCVD方法或热氧化物低得多的温度(低至几百开尔文温度)下进行。
在低压等离子体或低压辉光放电下实施该方法导致非热过程,这意味着气体温度显著低于电子温度。
在步骤b)中,等离子体优选以脉冲模式操作,其占空比Ton/(Toff+Ton)<10%,Ton是等离子体引发的时间,Toff是等离子体关闭的时间。结果,为了适应操作波动,沉积速率保持相对较低。这也可以通过降低峰值等离子体功率来实现。在步骤b)中,等离子体优选在Ton=1-10ms或Toff=10-100ms的范围内脉动。这可以令人满意的方式在步骤b)中产生层。
在一个优选的实施方案中,含氧气体包括
O2,
O2/惰性气体的气体混合物,惰性气体优选为Ar、Ne、Kr或N2,更优选为Ar或N2,
含氧分子气体,其优选为N2O、CO2、NO2、NO或CO,
成层气体混合物,成层气体混合物优选为SiH4/O2、SiH4/CO2、Al(CH3)3/N2O或AlC3H9/N2O/Ar。
含氧气体优选是纯氧。由于没有其他气体,这节省了操作成本。在使用含氧分子气体如N2O或CO2的情况下,可以降低沉积速率,并且以这种方式可以在整个基底表面上获得更好的氧化层均匀性。当使用成层气体混合物时,可以提高沉积速率,或者可以产生基底不是氧化材料的氧化物层。基底优选是硅基底。氧化物层优选是氧化硅层或氧化铝层。更优选地,氧化物层是氧化硅层。
含硅气体和可选的含碳气体优选是从以下组合中选择,该组合包括SiH4/H2的气体混合物、SiH4/H2/掺杂气体的气体混合物,例如SiH4/H2/PH3的气体混合物或SiH4/H2/B2H6的气体混合物、SiH4/CH4的气体混合物、SiH4/CH4/掺杂气体的气体混合物,例如SiH4/CH4/PH3或SiH4/CH4/B2H6的气体混合物。在步骤b2)中产生的层可以被掺杂,也就是用掺杂剂掺杂。掺杂剂可以包括B,In,Ga,Al,P,Sb,As。掺杂剂优选为B。更优选掺杂剂为P。掺杂也可以在与步骤b2)分开的操作步骤中进行。然而,优选地,掺杂的硅或SiC层在步骤b2)中产生,这意味着形成层和掺杂在一个步骤中发生。步骤b2)中生成的硅或SiC层优选为无定形的或基本上无定形的。硅层优选在步骤b2)中生成。
步骤b1)优选以<0.2nm/s或<0.1nm/s的沉积速率进行。因此,氧化物层以相对低的沉积速率沉积,以便适应例如等离子体引发的环境中的操作波动。O2(作为电负性气体)中的辉光放电趋向于不稳定,这是例如收缩和/或细丝形成的结果。在操作不稳定的情况下,例如均匀等离子体的点燃和/或电弧放电的问题,大于0.1nm/s的相对高的沉积速率可能导致层厚度与目标值的临界偏差,优选在1-2nm的范围内,更优选1.2-1.5nm。即使仅偏离目标层厚度值0.5nm,也会导致损失的效率Ncell>1%(绝对值)。特别是对于大规模生产来说这是不可接受的。步骤b1)优选在占空比<5%的情况下进行。
步骤b1)优选在<500℃或300-450℃的温度下进行。氧化物可以在比热氧化物低得多的温度下产生。这避免了长时间的加热。
在一个优选的实施方案中,两种或多种基材同时经历步骤a)和b)。优选地,两个或更多个基板同时经历步骤a)和b),而基板不发生空间移动。这额外地节省了大量制造的时间。基底可以是n型或p型基底。基底优选配置为晶片,更优选配置为n型晶片。
两个或更多个基底优选布置在船(boat)中,其中成对的基底相对布置并具有不同的极性。该船优选被配置为晶片船。这可能是一艘水平或垂直的船。该船具有多个彼此平行布置的承载板,用于在步骤a)和b)期间承载两个或更多个基底,这些承载板彼此隔离并交替连接到交流发电机的接头。承载板优选地具有合适的安装件,例如基板袋、保持销等,以保持基板,并且保持装置中的各个基板必须保持彼此相距一定距离,以使得气体能够非常均匀地流过所有间隙,并在基板之间形成等离子体,从而确保基板的均匀涂覆。此外,在相邻的承载板之间,必须没有导电连接,从而没有功率损耗,并且可以施加点燃等离子体所需的交流电压。因此,保持装置包括电绝缘间隔物,该电绝缘间隔物布置在承载板之间,并且被配置成将承载板彼此隔开并且将它们彼此电绝缘。基板以这样的方式布置在承载板上,使得成对的基板相对地彼此电绝缘,并且与交流电压发生器的连接器导电连接。
在一个优选实施例中,船由包括石墨、碳纤维增强塑料或碳纤维增强碳的基础材料形成。其他基底材料候选包括碳化物、石英或陶瓷。特别优选的基础材料是石墨。基底材料可以是未涂覆的。可选地,基底材料可以设有涂层,优选为耐氧涂层,尤其是如果基底材料是石墨的话。已证明石墨基材料在实践中特别适于,特别是在用于生产半导体元件如太阳能电池的基底涂层中。
船/晶片保持装置优选在步骤b1)和b2)之间不发生空间上移动,因此保持在PECVD沉积设备的同一个管中。这具有的优点是,在步骤b1)和b2)之间根本不需要充气时间和排气时间以及装载和卸载循环,并且很大程度上不需要加热和冷却时间。
然而,如果步骤b1)和b2)发生在由真空锁分开的两个不同的操作室中,也可以设想船/晶片保持装置在步骤b1)和b2)之间空间移动。例如,这可以是内联设备,其中必须以空间分离的方式供应工作气体。
在一个优选实施例中,步骤b1)中生成的氧化物层被配置为隧道层或界面氧化物层。在步骤b1)中产生的氧化物层优选具有低的层厚度,作为目标值,例如在1-2nm的范围内,优选1.2-1.5nm。在步骤b2)中产生的层厚度可以在例如20至200nm的范围内。
太阳能电池优选为TopCon(隧穿氧化物钝化接触)太阳能电池。TopCon太阳能电池是高效的,且具有卓越的效率。此外,在诸如PERC(钝化发射极和后电池)的电池技术中,不需要进行基板背面的图案化或点接触。背面涂层包括在步骤b)中生成的层,其中在步骤b2)中生成的硅或SiC层被掺杂,并且包括设置在该层上的背面金属化或金属接触件。在背面涂层上,可以另外施加另外的电介质钝化层系统,例如由氮化硅和/或氮氧化硅组成,然后对其提供背面金属化。背面金属接触可以在丝网印刷工艺中实现;与步骤b2)中沉积的任选掺杂的硅层的接触优选通过钝化层系统的“烧制”来完成。烧制优选包括局部应用金属膏,该金属膏腐蚀钝化层系统,并在>700℃的温度下(例如在烧制炉中)暴露涂覆的基材。可选地,还可以想到钝化层系统在多个位置处的局部开口,例如通过激光方法,以便使背面金属接触或与掺杂硅层或SiC层进行金属化。
在一个优选实施例中,该方法以直接等离子体工艺进行,激发频率在10到500kHz之间。与间接的所谓“远程”等离子体相比,以这种方式产生了更致密的涂层。在直接等离子体工艺的情况下,等离子体直接在两个待涂覆的基材之间或在电极和一个基材之间燃烧,而在间接等离子体或远程等离子体工艺的情况下,等离子体在单独的室中燃烧。
当压力在0.1至10mbar的范围内,优选在0.5至2mbar的范围内工作。
可选地,该方法可以通过直接或远程等离子体工艺执行,其中电容或电感等离子体作为射频等离子体,具有10至100MHz范围内的激发频率,例如在激发频率优选为13.56MHz的“淋喷头”平行板配置中。对于这些等离子体工艺,操作压力在1e-3mbar和10mbar之间的范围内,优选在0.01mbar和5mbar之间的范围内。
在一个优选实施例中,在步骤a)之前,首先对基底进行湿化学处理,然后对正面进行掺杂,随后进行进一步的湿化学处理,并且在步骤b)之后,对基底进行退火(等同于回火),然后可选地对正面进行进一步的湿化学处理,随后进行正面和背面的钝化,然后对正面和背面进行金属化。
可选地,可以在步骤b2)之后进行正面的湿化学处理和随后的正面掺杂。在这种情况下,正面的掺杂可以与退火同时进行,因为掺杂和退火在相似的温度范围内进行。退火之后还进行正面和背面的钝化,然后进行正面和背面的金属化。
在步骤b2)中生成的Si或SiC层可以在步骤b2)中原位掺杂。可选地,在步骤b2)中生成的硅或SiC层可以在步骤b2)之后通过例如使用POCl的背侧的非原位掺杂来掺杂。背面的非原位掺杂可以与退火同时进行。背面掺杂和退火可以在相同或相似的温度范围内进行。
湿化学处理优选包括切割损伤的蚀刻和纹理化。正面的掺杂优选包括在基底的正面引入发射器,例如在n型基底的情况下引入硼发射器,或者在p型基底的情况下引入磷发射器。进一步的湿化学处理优选包括CEI(化学蚀刻绝缘)和BSG(硼硅酸盐玻璃)或PSG(磷硅酸盐玻璃)蚀刻。退火优选构成温度在700至1000℃范围内的高温处理。通过该高温处理,由步骤b2)中产生的基本上无定形的硅或SiC层形成多晶硅层或SiC层,并且可选地掺杂剂从该硅或SiC层扩散到氧化物层和基底的近表面区域中。
可选的进一步湿化学处理包括去除正面上的多晶硅或SiC层的包裹物,如果该包裹物存在。去除正面上的包裹物(如果存在的话)也可以通过除湿化学方法之外的方法进行,例如通过层的激光烧蚀或激光分离。正面的钝化优选包括在基底的正面上形成AlOx和/或SiNx层。背面钝化优选包括在基底背面形成SiNx和/或SiOxNy层。正面和背面的金属化优选包括通过丝网印刷将银分别施加到基板的正面和背面。金属化可以在整个区域或部分区域上进行,例如作为栅格。
沉积设备优选为管式炉。管式炉原则上被布置为PECVD设施的可加热的管,并且具有用于该方法所需的待引入气体的相应的所需连接,以及用于排空和/或通气的连接,并且还具有从等离子体发生器到船的电引线,用于点燃等离子体。此外,使用管式炉的优点在于,在管式炉的室壁上存在相对少的Si或SiC层的寄生沉积,因此通过使用例如NF3/Ar等离子体的等离子体蚀刻来清洁室壁以去除无定形Si或SiC层是不必要的,或者仅在相对长的时间间隔内是必要的。
附图说明
下面参照附图更详细地阐述本发明。以非真实比例的形式示出示意性附图:
图1a至1c各自示出了本发明的方法的步骤,其中沉积设备和基底以横截面示出;
图2示出了图1a所示步骤的变型的剖视图;
图3示出了通过本发明的另一种方法生产的太阳能电池的截面图;和
图4示出了如图3所示的太阳能电池的制作方法流程图。
图1a至1c各自示出了本发明的方法的步骤,其中沉积设备和基底以横截面示出。
具体实施方式
图1a示出了在沉积设备1中提供具有正面21和背面22的基底2的步骤a)。用作说明性地,基底是硅基底。
图1b示出了在步骤a)之后的步骤b1),通过将基底暴露于含氧气体和第一等离子体来氧化基底,以产生氧化物层3。如果含氧气体是步骤b1)中供应的唯一工艺气体,则硅基底在其背面22上被氧化以形成氧化硅层作为氧化物层3。在步骤b1)中,除了含氧气体之外,基板还可以包含一种或多种其他气体。该其他气体可以是惰性气体。该其他气体也可以例如是含铝气体,从而在基底2的背面22上形成氧化铝层作为氧化物层3。
图1c示出了步骤b1)之后的步骤b2),通过将硅层4或SiC层暴露于含硅气体、可选的含碳气体和第二等离子体,随后在位于背面22上的氧化物层3上沉积硅层4或SiC层。
步骤b1)和b2)是步骤b)的一部分,其中在原位使用两个层3和4涂覆基底2。步骤b)在真空下在沉积设备1中进行,在整个步骤b)中保持真空,并且基底2不在空间上移动。
图2示出了图1a所示步骤的变型的剖视图。在沉积设备1中,在船5中提供两个或更多个基底2。在这种布置中,船5中提供的基底2随后也经历图1b和1c中所示的步骤,这里未示出。在船5中,成对的基底2相对布置并且具有不同的极性。船5具有多个彼此平行布置的承载板51,用于在步骤a)和b)期间承载两个或更多个基底2,承载板51彼此绝缘并交替连接到交流电压发生器(未示出)的连接。
承载板51具有合适的安装件(未示出),例如基板袋、保持销等,以便保持基板2,其中各个基板2在保持设备中被保持成彼此相距一定距离,从而使得步骤b)中的气体能够非常均匀地流过所有间隙,并且在基板2之间形成等离子体,以便确保基板2的均匀涂覆。
图3示出了通过本发明的另一种方法生产的太阳能电池的截面图。太阳能电池具有基底2,基底2具有正面21和背面22。在正面21上,基底2承载掺杂层6,例如硼发射体或磷发射体。在掺杂层6背离基底2的一侧上,也有正面钝化层7,其可以具有单层或多层配置。正面钝化层7具有例如AlOx层和SiNx层。在正面钝化层7背离基底2的一侧上,还布置有正面金属化10。
基底2的背面22具有如下的叠层。布置在背侧22上的是氧化物层3,硅或SiC层4布置在其面向基底的侧上。在硅或SiC层4背离基底2的一侧上,还布置有背面钝化层8,其可以具有单层或多层配置。背面钝化层8具有例如SiNx层和SiNxOy层。在背对基底2的背面钝化层8的一侧上,还布置有背面金属化9。太阳能电池是TOPCon太阳能电池,其中氧化物层3被配置为隧道层。
图4示出了制造图3所示太阳能电池的方法的流程图。在一个步骤中,对具有正面和背面的基底进行湿化学处理30,例如进行切割损伤蚀刻和纹理化。在湿化学处理30之后的步骤中,基底的正面经历掺杂31,以形成例如硼或磷发射器。在掺杂31之后的步骤中,基底经历进一步的湿化学处理32,例如CEI和BSG或PSG蚀刻。在湿化学处理32之后的步骤a)33中,在沉积设备中提供基底。在步骤a)33之后的步骤b)34中,首先在基底的背面上沉积氧化物层,然后沉积硅或SiC层,这些层的形成通过在真空下在沉积设备中的原位涂覆进行,在整个步骤b)34中保持真空,并且基底不在空间上移动。
步骤34之后的步骤包括退火35,其中在700至1000℃的温度范围内进行高温处理,使得从步骤b)34中产生的基本上为硅或SiC的层产生多晶硅或SiC层,并且硅或SiC层中存在的任何掺杂剂(例如磷或硼)通过氧化层扩散到基底中。退火35之后的步骤展示了正面的进一步湿化学处理36,在此过程中,正面上的多晶硅(碳化物)层的任何包裹物被去除。进一步的湿化学处理36之后是正面和背面的钝化37,然后是正面和背面的金属化38。
参考符号列表:
1 沉积设备
2 基底
21 正面
22 背面
3 氧化硅层
4 硅层
5 船
51 承载板
6 掺杂层
7 正面钝化层
8 背面钝化层
9 背面金属化
10 正面金属化
30 湿化学处理
31 掺杂
32 进一步湿化学处理
33 步骤a)
34 步骤b)
35 退火
36 进一步的湿化学处理
37 钝化
38 金属化
Claims (12)
1.一种制造太阳能电池的方法,包括以下步骤:
a)在沉积设备(1)中提供具有正面(21)和背面(22)的基底(2),以及
b)在原位使用两层涂覆所述基底(2),包括
b1)通过将所述基底暴露于含氧气体和第一等离子体来氧化所述基底,以生成氧化物层(3),或者通过PECVD沉积所述氧化物层,以及
b2)随后通过暴露于含硅气体、可选的含碳气体和第二等离子体来沉积硅层(4)或SiC层,
其中步骤b)在真空下在所述沉积设备(1)中进行,并且在整个步骤b)中保持真空。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述背面(22)经历步骤a)和b)。
3.根据权利要求1或2所述的方法,其特征在于,在步骤b1)和b2)之间,所述基底(2)在所述沉积设备(1)内不进行空间移动。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法,其特征在于,步骤b)在压力为0.1至5.0mbar或0.1至10.0mbar范围内的低压等离子体进行,和/或步骤b)在激发频率在10至500kHz或30至50kHz范围内的低压辉光放电进行,和/或步骤b)在所述等离子体的占空比Ton/(Ton+Toff)<10%的范围内和/或在Ton=1-100ms的范围内进行。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法,其特征在于,
所述含氧气体包括
O2,
O2/惰性气体的气体混合物,惰性气体为Ar、Ne、Kr或N2,
含氧分子气体,可为N2O、CO2、NO2、NO或CO,
成层气体混合物,所述成层气体混合物可为SiH4/O2、SiH4/CO2、AlC3H9/N2O或AlC3H9/N2O/Ar,和/或
其特征在于,所述含硅气体和可选的含碳气体从SiH4/H2气体混合物、SiH4/H2/PH3的气体混合物、SiH4/H2/B2H6的气体混合物、SiH4/CH4的气体混合物、SiH4/CH4/PH3的气体混合物或SiH4/CH4/B2H6的气体混合物所组成的组合中选择。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法,其特征在于,步骤b1)以<0.2nm/s或<0.1nm/s的沉积速率进行,和/或步骤b1)以<5%的占空比进行,和/或步骤b1)在<500℃或300至450℃的温度范围内进行。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法,其特征在于,两个或更多个基底(2)同时经历步骤a)和b)。
8.根据权利要求6所述的方法,其特征在于,所述两个或更多个基底(2)被布置在船(5)中,其中成对的基底(2)相对地布置并且具有不同的极性。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法,其特征在于,在步骤b1)中生成的所述氧化物层(3)被配置为隧道层,和/或所述太阳能电池是TOPCon太阳能电池。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法,其特征在于,所述方法以直接等离子体工艺或远程等离子体工艺进行,其中使用电容性等离子体,或使用具有13.56MHz或其倍数的激发频率作为射频等离子体。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法,其特征在于,在步骤a)之前,首先对所述基底(2)进行湿化学处理(30),然后对所述正面进行掺杂(31),随后进行进一步的湿化学处理(32),并且在步骤b)之后,对所述基底(2)进行退火(35),然后对所述正面(21)进行进一步的湿化学处理(36),随后对所述正面(21)和所述背面(22)进行钝化(37),然后对所述正面(21)和所述背面(22)进行金属化(38)。
12.根据前述权利要求中任一项所述的方法,其特征在于,所述沉积设备(1)是管式炉。
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