光伏太阳能电池生产过程中的污染问题

李志彬

摘 要：太阳能晶硅电池片生产工序多、工艺复杂且涉及硝酸、氢氟酸、盐酸、硫酸、异丙醇、松油醇等多种化学品，生产过程产生氟化物、氮氧化物、HCl、Cl2、硫酸雾、NH3、非甲烷总烃等多种大气污染物，通过分析各类大气污染物的来源、成分、初始浓度等污染特征，按照技术成熟、经济合理、达标排放等大气污染物控制原则，对生产中产生的各类废气设计了相应的处理措施，净化后的外排废气可满足国家相关排放标准要求。

关键词：多晶硅电池片；废气；措施

1 多晶硅电池片生产工艺简述

太阳能电池片生产工艺通常包括硅片清洗、制绒、碱洗、酸洗、磷扩散、边缘刻蚀、等离子化学气相沉积（PECVD）、丝网印刷干烧结、检测包装等工序，简述如下：

（1）超声波清洗。去除硅片上的污物，把硅片放入超声波清洗器中清洗，如进厂前已经清洗过，可直接进入制绒工序。

（2）制绒。太阳能电池片采用硝酸、氢氟酸、异丙醇等制绒，与硅片反应生成H2SiF6和NOX。反应方程式：Si+2HNO3+6HF→H2SiF6+NO2↑+3H2O+NO↑+H2↑。此工序产生含HF、NOX、H2、非甲烷总烃的废气。

（3）制绒后清洗：多晶硅太阳能电池制绒后采用纯水喷淋清洗。

（4）碱洗：多晶硅太阳能电池制绒清洗后，再采用KOH进行碱洗。

（5）碱洗后清洗：碱洗后采用纯水进行喷淋清洗。

（6）扩散前酸洗：碱洗后采用10%～20%的HCl进行酸洗，此工序产生含HCl废气。

（7）酸洗后水洗：酸洗后多晶硅太阳能电池采用纯水喷淋方式（8）扩散前酸洗：HCl清洗后采用10-20%的HF进行酸洗，此工序产生HF废气。

（9）酸洗后水洗：酸洗后多晶硅太阳能电池采用纯水喷淋方式进行清洗。

（10）磷扩散：磷扩散是在硅片表层掺入纯杂质原子的过程，工艺采用液态扩散源。过程反应为：C2H3Cl3+2O2→3HCl↑+2CO2↑。该工序将产生含HCl、Cl2的酸性废气。

（11）边缘刻蚀：利用HNO3、HF和硫酸的混合溶液对硅片边缘进行腐蚀，去除硅片边缘的PN结，具体的反应式为：Si+HNO3+HF→H2SiF6+NO2↑+H2O+NO↑+H2↑。

此工序产生含HF、NOX、硫酸雾的酸性废气。

（12）刻蚀后清洗：刻蚀后采用纯水进行清洗。

（13）碱洗：刻蚀后采用NaOH进行清洗，以去除表面的H2SiF6。

（14）清洗：碱洗后采用纯水进行清洗。

（15）去PSG：该工序是对刻蚀后硅片上的污物及在扩散中产生的SiO2用HF和HCl清洗的方法进行清除。该工序产生含氢氟酸和HCl的废气。

（16）清洗：去PSG后采用纯水进行清洗和吹干。

（17）等离子化学气相沉积（PECVD）

PECVD被用来在硅片上沉积氮化硅材料，将硅片装在石墨舟上，通过化学反应产生氮化硅。典型化学反应为：3SiH4+4NH3→Si3N4+12H2↑。该工序产生含CF4、SiF4、SiH4、NH3及H2的碱性废气。

（18）丝网印刷干烧结。通过丝网印刷机将银浆、铝浆及松油醇调配成导电材料印刷在硅片上，作为太阳电池导电的主要通道；烘干后再经过高温（电加热）烧结成合金。该工序产生有机废气。

（19）分类检测。成品入库前使用检测系统对产品进行检测，将产品分等级包装入库待售。

2 太阳能电池生产废气

太阳能电池生产中废气污染物分析如下：

（1）酸性废气。主要来自制绒和去磷硅玻璃工序产生的HF、NOX等酸性气态污染物。

（2）扩散废气。扩散工序产生的废气主要是Cl2。

（3）刻蚀废气。刻蚀废气中的污染物主要为HF、CO2和少量的SiO2。

（4）PECVD废气。PECVD废气主要为未发生反应的SiH4、NH3和反应生成的H2。

（5）印刷废气和烧结废气。印刷和烧结工序废气主要是由于浆料中的有机溶剂等物质挥发的有机气态物质，有机物的产生情况与浆料的成分、含量等因素密切相关。

3 废气处理设施

太阳能电池生产项目配套了3套废气治理设施，分别为：

3.1酸雾净化塔

酸雾净化塔主要处理酸性废气、扩散废气和刻蚀废气。

处理工艺：废气从废气洗涤塔底部水平穿过废气洗涤塔内的填料，碱液经喷淋系统从废气洗涤塔上方喷洒而下，与废气中的酸性气体发生中和反应，从而达到净化效果。为达到最佳吸收效率，碱液的pH值保持在9左右。自動加药系统可实时检测废气洗涤塔内中和液的pH值，根据实际检测值与设定值的关系来驱动计量泵，从而实现自动加药功能。

3.2硅烷燃烧塔

硅烷燃烧塔主要处理PECVD废气。

处理工艺：PECVD废气通过管道进入硅烷燃烧塔的硅烷燃烧室，同时通入一定量的压缩空气。硅烷在常温空气中即可自燃，硅烷燃烧后的温度约500℃～600℃可引起氢气燃烧。因此，在燃烧塔的硅烷燃烧筒内，硅烷和氢气首先被燃烧处理，燃烧反应方程式为：

燃烧后的废气经由重力沉降室，大部分燃烧生成的SiO2等粉尘经过沉降，废气流速降低再进入硅烷燃烧塔的氨气洗涤塔。氨气洗涤塔中装有填料，塔顶喷洒的酸性洗涤水。氨气被酸液化学吸收，一般可能保证氨气80%以上的去除率。

燃烧筒中废气燃烧产生的SiO2粉尘从底部的排渣口排出。为保证填料塔的去除效率，洗涤液定期更换，更换后的废水进污水处理设施进行处理。

3.3活性炭吸附塔

活性炭吸附塔主要处理印刷废气和烧结废气。活性炭吸附塔内装填活性炭，目前采用活性炭吸附装置是处理有机废气常用的方法，其优点是设备较简单，处理效率高，能达到90%以上的去除效率。其原理是利用活性炭纤维表面发达的微孔结构和活性炭本身的表面作用力，将废气中的物质吸附。活性炭吸附装置最大的特点在于能在符合经济条件的操作范围内，几乎可完全去除气流中的有机成分，直至活性炭吸附容量达到饱和为止。

4 结语

太阳能电池做为一个绿色无污染的新型产品，现应广泛应用于各个行业。由于其绿色无污染的特点，受到社会各界的广泛推广，拥有良好的前景。受市场引导，生产企业也层出不穷。如何在生产工程中，如何回收利用生产污水，达到减少污水排放，节约水资源的目的，正是本文所探讨的问题。

参考文献

[1]龚伟等.9家晶硅太阳能电池企业职业病危害调查[J].环境与职业医学，2014（12）：957-960.

[2]吴刚，张峰.工业有机废气污染治理技术的应用和发展研究[J].环境与发展，2015（01）：69-70.

（作者单位：英利能源（中国）有限公司）