太陽能電池單晶制絨與酸洗連體設備研究

謝振民，陳 婧

(中國電子科技集團公司第二研究所，山西太原 030024)

清洗設備在整個太陽能電池生產線上起到至關重要的作用。隨著太陽能產業的生產規模不斷擴大，對整套設備的功能、產量等的要求也越來越高。本文著重就單晶制絨和制絨后酸洗連體設備研究過程中的幾個重要問題進行闡述。

1 單晶制絨原理

在太陽能電池生產中，制絨是晶硅電池的第一道工藝。對于單晶硅來說，制絨的目的就是延長光在電池表面的傳播路徑，從而提高太陽能電池對光的吸收效率。單晶硅制絨的主要方法是用堿（NaOH、KOH）對硅片表面進行腐蝕。由于硅片的內部結構不同，各向異性的堿液制絨主要是使晶向分布均勻的單晶硅表面形成類似“金字塔”狀的絨面，有效地增強硅片對入射太陽光的吸收，從而提高光生電流密度。對于既可獲得低的表面反射率，又有利于太陽能電池的后續制作工藝的絨面，應該是金字塔大小均勻，單體尺寸在2～10 μm之間，相鄰金字塔之間沒有空隙，即覆蓋率達到100%。理想質量絨面的形成，受到了諸多因素的影響，如硅片被腐蝕前的表面狀態、制絨液的組成、各組分的含量、溫度、反應時間等。而在工業生產中，對這一工藝過程的影響因素更加復雜，例如加工硅片的數量、醇類的揮發、反應產物在溶液中的積聚、制絨液中各組分的變化等。為了維持生產良好的可重復性，并獲得高的生產效率。就要比較透徹地了解金字塔絨面的形成機理，控制對制絨過程中影響較大的因素，在較短的時間內形成質量較好的金字塔絨面。

單晶制絨的工藝比較復雜，不同公司有各自獨特的制絨方法。一般堿制絨有以下幾種方法：NaOH+IPA、NaOH+IPA+NaSiO3、NaOH+CH3CH2OH等。一般使用到的化學添加劑有兩種，一種是IPA（異丙醇），另一種是工業酒精。加入異丙醇后，可以使反應加快，主要是起消除氣泡的作用。而對于加入工業酒精后，會改善硅片表面的質量和美觀。

在工業大規模生產中被普遍接受的是NaOH+IPA+NaSiO3的方法。工藝要求 NaSiO3∶NaOH 在 1∶3.5 到 1∶3 之間，NaOH∶IPA 在 1∶6 左右。NaOH濃度要求在2%～4%之間調整。在制絨工藝中，溫度和溶液的比例是主要參數。時間是次要的。保持工藝的穩定對大規模的生產是至關重要的。通常通過排液、補液的方法來實現。對于第二種工藝方法來說，制絨的最佳工作溫度在83℃±1℃。溫度太低和IPA比例大小都不能制成絨面，或者說在絨面形成之前硅片已經消耗完。IPA太多形不成絨面，它不能起調節晶向反應速度的作用。

技術參數和工藝流程（見圖1）：

設備外形尺寸：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

生產能力：1 700片/小時，每批200片

生產節拍：7.0 min

片盒：100片片盒2籃/批

處理最大質量:40 kg

圖1 工藝流程圖

2 結構設計

本設備主要功能是針對單晶制絨后酸洗的全自動清洗設備，此設備主要由設備主體、15個獨立的工藝槽、3個移載機械臂、管路系統、排風系統、電氣控制系統等組成。如圖2所示。

2.1 工藝槽體設計

根據工藝的需要，我們對工藝槽的結構進行設計，針對預清洗槽以及制絨工藝的溶液、溫度、反應時間、酸堿隔離等要求，著重對4種槽體進行了設計，結果表明，槽體結構設計合理，完全滿足工藝要求。

圖2 整體結構示意圖

2.1.1 預清洗槽

根據預清洗工藝的要求，預清洗的目的主要是去除硅片表面鋸后的損傷層，所以，對槽體要求一方面可以實現基本功能，即抗腐蝕功能和工藝液體加熱功能，另一方面要求能夠保證腐蝕后的硅片表面質量。因此，經過設計人員的反復論證擬定槽體采用PTFE材質、溢流槽結構，溢流出的廢液匯入排廢管道；為防止液體由于加熱過度揮發，槽體設有左右開啟折疊槽蓋，塑料氣缸控制開合。在氣缸伸出桿上設有防腐保護套，防止腐蝕液滴落在伸出桿上；槽內設置有加熱系統；槽體底部放投入板式PTFE加熱器，并裝有耐腐蝕的PFA溫度探頭，防止加熱器干燒。

2.1.2 制絨槽

根據制絨工藝要求，使用溶液濃度為2%的NaOH和IPA溶液，槽體的材質采用PTFE、結構采用溢流槽結構，溢流出的廢液匯入排廢管道；為防止反應霧過渡揮發，槽體設有左右開啟折疊槽蓋，塑料氣缸控制開合。在氣缸伸出桿上設有保護套，防止反應霧滴落在伸出桿上；槽體底部設置有單獨的加熱系統；槽體底部為投入板式加熱器，并裝有耐腐蝕的PFA溫度探頭，保證完全滿足工藝溫度需要，控溫精度可達±1℃，同時最大限度地縮短升溫時間以提高生產效率；溫控儀的設定溫度可根據工藝要求進行調節；腐蝕時間可在觸摸屏界面中設定、調整；整個制絨槽裝有循環過濾系統，保證溶液的潔凈度及其反應時溶液的均勻性，槽內設有配液、補液用接口，并設有氮氣液位保護，高低可調節，一方面要求能夠控制配液時DI水容積和NaOH的容積，另一方面還可控制補液容積。控制DI水容積的液位同時還具有防止PTFE加熱器干燒功能；IPA則定時采用氮氣壓輸送。其結構如圖3所示。

圖3 制絨槽結構示意圖

2.1.3 QDR槽

QDR即快排快沖槽，主要是用于去除硅片表面微粒雜質和殘留化學藥液，使硅片表面潔凈。根據快排工藝要求，擬定槽體的材質采用NPP、結構采用四周溢流槽結構，溢流出的廢液匯入排廢管道；為防止噴淋液體濺出，槽體設有左右開啟折疊槽蓋，塑料氣缸控制開合。在氣缸伸出桿上設有保護套，防止反應霧滴落在伸出桿上；為滿足快速排放的清洗要求，槽底部設有快速排放系統，保證液體在4 s內排完液體；槽體底部設有氮氣鼓泡裝置和上水裝置，可根據工藝要求調節鼓泡、上水壓力的大小；上部設有噴淋裝置，可以調節噴淋壓力的大小。快排快沖槽工藝的時間可在觸摸屏界面中設定、調整，滿足工藝的清洗要求。見圖4。

2.1.4 酸堿隔離槽

圖4 QDR槽結構示意圖

由于本設備為太陽能電池單晶制絨與酸洗連體設備，在制絨工藝后采用物理隔離的方法后進行酸洗工藝，物理隔離的方法即采用NPP板置于DI水液面以下，有效的隔離堿制絨工藝與酸洗工藝，而清洗花籃通過液面以下的PP輸送鏈條由一個工位輸傳到另外一個工位。PP輸送鏈條由進口電機驅動，并裝有鏈條張緊調節裝置，保證鏈條運行平穩。見圖5。

圖5 酸堿隔離槽結構示意圖

2.2 其它設計

2.2.1 機械傳動裝置

機械臂主要功能是完成清洗花籃在上下料臺和各個槽體間的移動等功能，提高清洗制絨工藝的自動化程度，減少人為因素對制絨效果的影響，降低制絨工藝腐蝕性液體揮發對環境及其操作人員的傷害。

考慮到機械臂的額定載荷和生產節拍，設備配有3套移栽機械臂，每個機械臂負責一段距離的清洗花籃傳送以提高生產效率。移載機械臂的橫向移動和縱向提升均采用進口伺服電動機，閉環控制，從而使設備的定位準確度達到±2 mm；傳動采用圓導軌結構及線性模塊，機械臂升降部及懸臂部采用聚丙烯板包覆不銹鋼，確保機械臂壽命；加減速運動采用幾何曲線控制，從而使機械臂沖擊小，運動平穩。見圖6。

圖6 機械臂結構原理圖

2.2.2 排風系統

考慮到設備使用的溶液具有較強的腐蝕性及揮發性，因此，整套設備采用槽側排風與設備整體排風相結合的方式。功能槽采用槽體兩側條縫式雙側排風，在槽體后側裝有可調式風量調節閥門，手動調節風量的大小，減少槽內溶液向槽外揮發。整套設備在槽體上部后側裝有排風系統，并裝有手動調節的排風板，調節排風風量，在設備排風的出口處裝有風壓探頭，與設備的控制系統相連，低壓報警。

2.2.3 電氣控制系統設計

電氣控制系統是整個設備的重要部分，編程安排系統在各個清洗工位的運行節拍、循環泵的啟停、管路氣動閥的運行以及QDR清洗工藝模塊的工作狀態。整套控制系統由一臺PLC為核心，觸摸屏為人機界面，交流伺服系統為清洗花籃的移動執行機構。

電氣控制系統包括操作面板、控制柜、伺服電機、氣動閥、加熱器、循環泵、傳感器等。控制柜作為獨立單位，位于設備的左后部，采用密閉式，為了防止堿性氣體的腐蝕電氣元器件，在控制柜內通入壓縮空氣，使之形成正壓，保護電氣元器件。由于本設備的各工藝時間可設定，可通過PLC系統實現機械臂運行的最優化，從而使設備運行節拍最短，實現設備的最大產量。

3 結 論

根據近幾年的總結，使我們認識到對細節的關注是工藝設備成敗的關鍵。

在未來太陽能電池技術的發展中，設備與工藝的集成化程度會越來越高，一臺好的設備在結構設計、功能配套、工藝設置上，應該最大限度地滿足工藝的要求。因此，“設備+工藝”的發展模式，使得設備具有更好的工藝適應性，更強的工藝靈活性和擴展性。同時，加強與設備使用方技術交流，結合先進的發展技術，實現雙方的共同發展。

[1] 王銳廷.半導體晶圓自動清洗設備[J].電子工業專用設備，2004(9)：8-12.

[2] 張峰，司超.硅片脫膠技術的現狀及發展研究[J].電子工業專用設備，2011(7)：16-18.

[3] 曹秀芳，曹穎杰，祝福生.300mm全自動去膠清洗設備的研制[J].電子工業專用設備，2011(7)：36-38.