太阳能电池单晶制绒与酸洗连体设备研究

谢振民，陈 婧

(中国电子科技集团公司第二研究所，山西太原 030024)

清洗设备在整个太阳能电池生产线上起到至关重要的作用。随着太阳能产业的生产规模不断扩大，对整套设备的功能、产量等的要求也越来越高。本文着重就单晶制绒和制绒后酸洗连体设备研究过程中的几个重要问题进行阐述。

1 单晶制绒原理

在太阳能电池生产中，制绒是晶硅电池的第一道工艺。对于单晶硅来说，制绒的目的就是延长光在电池表面的传播路径，从而提高太阳能电池对光的吸收效率。单晶硅制绒的主要方法是用碱（NaOH、KOH）对硅片表面进行腐蚀。由于硅片的内部结构不同，各向异性的碱液制绒主要是使晶向分布均匀的单晶硅表面形成类似“金字塔”状的绒面，有效地增强硅片对入射太阳光的吸收，从而提高光生电流密度。对于既可获得低的表面反射率，又有利于太阳能电池的后续制作工艺的绒面，应该是金字塔大小均匀，单体尺寸在2～10 μm之间，相邻金字塔之间没有空隙，即覆盖率达到100%。理想质量绒面的形成，受到了诸多因素的影响，如硅片被腐蚀前的表面状态、制绒液的组成、各组分的含量、温度、反应时间等。而在工业生产中，对这一工艺过程的影响因素更加复杂，例如加工硅片的数量、醇类的挥发、反应产物在溶液中的积聚、制绒液中各组分的变化等。为了维持生产良好的可重复性，并获得高的生产效率。就要比较透彻地了解金字塔绒面的形成机理，控制对制绒过程中影响较大的因素，在较短的时间内形成质量较好的金字塔绒面。

单晶制绒的工艺比较复杂，不同公司有各自独特的制绒方法。一般碱制绒有以下几种方法：NaOH+IPA、NaOH+IPA+NaSiO3、NaOH+CH3CH2OH等。一般使用到的化学添加剂有两种，一种是IPA（异丙醇），另一种是工业酒精。加入异丙醇后，可以使反应加快，主要是起消除气泡的作用。而对于加入工业酒精后，会改善硅片表面的质量和美观。

在工业大规模生产中被普遍接受的是NaOH+IPA+NaSiO3的方法。工艺要求 NaSiO3∶NaOH 在 1∶3.5 到 1∶3 之间，NaOH∶IPA 在 1∶6 左右。NaOH浓度要求在2%～4%之间调整。在制绒工艺中，温度和溶液的比例是主要参数。时间是次要的。保持工艺的稳定对大规模的生产是至关重要的。通常通过排液、补液的方法来实现。对于第二种工艺方法来说，制绒的最佳工作温度在83℃±1℃。温度太低和IPA比例大小都不能制成绒面，或者说在绒面形成之前硅片已经消耗完。IPA太多形不成绒面，它不能起调节晶向反应速度的作用。

技术参数和工艺流程（见图1）：

设备外形尺寸：13 500 mm×2 200 mm×2 400 mm

被清洗硅片：125 mm×125 mm×0.16 mm/156 mm×156 mm×0.16 mm

生产能力：1 700片/小时，每批200片

生产节拍：7.0 min

片盒：100片片盒2篮/批

处理最大质量:40 kg

图1 工艺流程图

2 结构设计

本设备主要功能是针对单晶制绒后酸洗的全自动清洗设备，此设备主要由设备主体、15个独立的工艺槽、3个移载机械臂、管路系统、排风系统、电气控制系统等组成。如图2所示。

2.1 工艺槽体设计

根据工艺的需要，我们对工艺槽的结构进行设计，针对预清洗槽以及制绒工艺的溶液、温度、反应时间、酸碱隔离等要求，着重对4种槽体进行了设计，结果表明，槽体结构设计合理，完全满足工艺要求。

图2 整体结构示意图

2.1.1 预清洗槽

根据预清洗工艺的要求，预清洗的目的主要是去除硅片表面锯后的损伤层，所以，对槽体要求一方面可以实现基本功能，即抗腐蚀功能和工艺液体加热功能，另一方面要求能够保证腐蚀后的硅片表面质量。因此，经过设计人员的反复论证拟定槽体采用PTFE材质、溢流槽结构，溢流出的废液汇入排废管道；为防止液体由于加热过度挥发，槽体设有左右开启折叠槽盖，塑料气缸控制开合。在气缸伸出杆上设有防腐保护套，防止腐蚀液滴落在伸出杆上；槽内设置有加热系统；槽体底部放投入板式PTFE加热器，并装有耐腐蚀的PFA温度探头，防止加热器干烧。

2.1.2 制绒槽

根据制绒工艺要求，使用溶液浓度为2%的NaOH和IPA溶液，槽体的材质采用PTFE、结构采用溢流槽结构，溢流出的废液汇入排废管道；为防止反应雾过渡挥发，槽体设有左右开启折叠槽盖，塑料气缸控制开合。在气缸伸出杆上设有保护套，防止反应雾滴落在伸出杆上；槽体底部设置有单独的加热系统；槽体底部为投入板式加热器，并装有耐腐蚀的PFA温度探头，保证完全满足工艺温度需要，控温精度可达±1℃，同时最大限度地缩短升温时间以提高生产效率；温控仪的设定温度可根据工艺要求进行调节；腐蚀时间可在触摸屏界面中设定、调整；整个制绒槽装有循环过滤系统，保证溶液的洁净度及其反应时溶液的均匀性，槽内设有配液、补液用接口，并设有氮气液位保护，高低可调节，一方面要求能够控制配液时DI水容积和NaOH的容积，另一方面还可控制补液容积。控制DI水容积的液位同时还具有防止PTFE加热器干烧功能；IPA则定时采用氮气压输送。其结构如图3所示。

图3 制绒槽结构示意图

2.1.3 QDR槽

QDR即快排快冲槽，主要是用于去除硅片表面微粒杂质和残留化学药液，使硅片表面洁净。根据快排工艺要求，拟定槽体的材质采用NPP、结构采用四周溢流槽结构，溢流出的废液汇入排废管道；为防止喷淋液体溅出，槽体设有左右开启折叠槽盖，塑料气缸控制开合。在气缸伸出杆上设有保护套，防止反应雾滴落在伸出杆上；为满足快速排放的清洗要求，槽底部设有快速排放系统，保证液体在4 s内排完液体；槽体底部设有氮气鼓泡装置和上水装置，可根据工艺要求调节鼓泡、上水压力的大小；上部设有喷淋装置，可以调节喷淋压力的大小。快排快冲槽工艺的时间可在触摸屏界面中设定、调整，满足工艺的清洗要求。见图4。

2.1.4 酸碱隔离槽

图4 QDR槽结构示意图

由于本设备为太阳能电池单晶制绒与酸洗连体设备，在制绒工艺后采用物理隔离的方法后进行酸洗工艺，物理隔离的方法即采用NPP板置于DI水液面以下，有效的隔离碱制绒工艺与酸洗工艺，而清洗花篮通过液面以下的PP输送链条由一个工位输传到另外一个工位。PP输送链条由进口电机驱动，并装有链条张紧调节装置，保证链条运行平稳。见图5。

图5 酸碱隔离槽结构示意图

2.2 其它设计

2.2.1 机械传动装置

机械臂主要功能是完成清洗花篮在上下料台和各个槽体间的移动等功能，提高清洗制绒工艺的自动化程度，减少人为因素对制绒效果的影响，降低制绒工艺腐蚀性液体挥发对环境及其操作人员的伤害。

考虑到机械臂的额定载荷和生产节拍，设备配有3套移栽机械臂，每个机械臂负责一段距离的清洗花篮传送以提高生产效率。移载机械臂的横向移动和纵向提升均采用进口伺服电动机，闭环控制，从而使设备的定位准确度达到±2 mm；传动采用圆导轨结构及线性模块，机械臂升降部及悬臂部采用聚丙烯板包覆不锈钢，确保机械臂寿命；加减速运动采用几何曲线控制，从而使机械臂冲击小，运动平稳。见图6。

图6 机械臂结构原理图

2.2.2 排风系统

考虑到设备使用的溶液具有较强的腐蚀性及挥发性，因此，整套设备采用槽侧排风与设备整体排风相结合的方式。功能槽采用槽体两侧条缝式双侧排风，在槽体后侧装有可调式风量调节阀门，手动调节风量的大小，减少槽内溶液向槽外挥发。整套设备在槽体上部后侧装有排风系统，并装有手动调节的排风板，调节排风风量，在设备排风的出口处装有风压探头，与设备的控制系统相连，低压报警。

2.2.3 电气控制系统设计

电气控制系统是整个设备的重要部分，编程安排系统在各个清洗工位的运行节拍、循环泵的启停、管路气动阀的运行以及QDR清洗工艺模块的工作状态。整套控制系统由一台PLC为核心，触摸屏为人机界面，交流伺服系统为清洗花篮的移动执行机构。

电气控制系统包括操作面板、控制柜、伺服电机、气动阀、加热器、循环泵、传感器等。控制柜作为独立单位，位于设备的左后部，采用密闭式，为了防止碱性气体的腐蚀电气元器件，在控制柜内通入压缩空气，使之形成正压，保护电气元器件。由于本设备的各工艺时间可设定，可通过PLC系统实现机械臂运行的最优化，从而使设备运行节拍最短，实现设备的最大产量。

3 结 论

根据近几年的总结，使我们认识到对细节的关注是工艺设备成败的关键。

在未来太阳能电池技术的发展中，设备与工艺的集成化程度会越来越高，一台好的设备在结构设计、功能配套、工艺设置上，应该最大限度地满足工艺的要求。因此，“设备+工艺”的发展模式，使得设备具有更好的工艺适应性，更强的工艺灵活性和扩展性。同时，加强与设备使用方技术交流，结合先进的发展技术，实现双方的共同发展。

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