太陽能硅片水下分離技術研究

田志民

【摘 ?要】近年來，光伏產業的迅猛發展極大地促進了硅片制造技術和裝備的飛速發展。介紹國內外硅片國內外研究現狀分析，以及太陽能硅片水下分離技術研究。

【關鍵詞】硅片;分離;技術研究

隨著人們對環境及資源的日益重視，太陽能作為一種清潔、安全、用之不竭的綠色能源，已經廣泛應用從軍事領域、航天領域進入工業、農業、家用電器以及公用設施等部門，尤其可以分散的在邊遠地區和農村使用，節省造價昂貴的輸電線路。

一、硅片水下分離模擬實驗裝置

為了進行硅片水下分離實驗，設計了一款硅片插片機樣機。插片機樣機由水下分離裝置、吸片裝置、吸片裝置、及圖像識別與檢測裝置等構成，硅片水下分離裝置，如圖1所示。整個硅片水下分離裝置具體工作原理分為三個方面：

1.在水箱中注入一定量水，水深達到實驗要求。在水箱一端設置出水口，出水口出安裝過濾網，防止水箱內硅片碎片進入循環水路內。水流經由出水口、循環水路、離心泵、3個支路、鋼絲網紋管、噴水板進入水箱完成循環，可以保持水位不變。其中，3個支路分別安裝1個截止閥與1個壓力傳感器。

2.將裝滿硅片的籃具放入水箱中，進籃機構可以相對主噴水板水平移動籃具，以此調節硅片到噴水板距離;同時，籃具提升機構可以相對于水面上下移動籃具，使得籃具內最上面一層硅片始終處于一定水深及環境壓力下。

3.1個主噴水板及2個側噴水板從三個方向對硅片噴射水流，硅片在動壓作用下逐片分離并懸浮于水中。與此同時，吸片裝置將最上面的一片懸浮硅片吸附起來送入輸送軌道。輸送軌道上的圖像識別及檢測裝置可以識別破碎硅片，并統計硅片數量，從而可以對不同參數下硅片分離效率及破碎率進行對比。在本實驗中，水箱采用尺寸為（865×705×370）mm，厚度為10mm的PP板水箱;離心泵采用型號SC25/2.2臥式單級離心泵[6]，額定流量為25m 3/h，揚程為17m;主側噴水板為有機玻璃材料;籃具可裝載硅片規格為156×156（±0.5mm）;進籃機構由絲杠與絲杠螺母配合而成，進籃平臺固定在絲杠螺母上，并由接近傳感器確定籃具到主噴水板的距離;吸片裝置由吸水主板、接近裝感器、直徑3mm的橡皮帶及滾輪等構成;圖像識別及檢測裝置通過CCD相機與圖像識別算法[7]的結合來實現缺陷硅片的識別與剔除，同時由計數傳感器統計軌道上通過的硅片數量。

二、不同參數對硅片水下分離的影響

根據硅片分離裝置的結構及硅片厚度極薄的特點，采用2D模型，如圖2所示。1、2、3、4、5、6為主噴水板壓力入水孔，7、8、9、10為側噴水板壓力入水孔，11、12、13為壓力出口。采用ANSYS/ICEM對模型進行結構網格劃分，并在噴嘴處進行局部加密，模型網格數量為101萬，最大單元尺寸為0.2mm，并驗證噴水網格無關性。180萬網格與101萬網格下主噴水孔處平均速度與動壓力差值小于5%。采用Realizablek-e湍流模型，所有空間離散格式采用高階離散格式，運用BodyForcedWeight離散壓力方程及SecondUpWind格式離散連續方程，通過觀測殘差曲線評測是否收斂。

1.不同主噴水板壓力對水下分離的影響。主噴水孔壓力是影響硅片分離效果的一個重要因素。在水深30mm的環境下，主噴水孔為圓柱形，直徑為0.8mm，分別采用0.01MPa、0.03MPa、0.05MPa、0.07MPa、0.10MPa進水壓力進行仿真分析，側噴水孔為圓柱形，直徑為1.0mm，進水壓力為0.15MPa。隨著主噴水孔壓力增大，主噴射流產生動壓的作用范圍逐漸增加，在水平方向相同距離處的動壓增大，在豎直方向動壓范圍也在擴大，主噴嘴產生的動壓主要作用在靠近主噴嘴的豎直方向范圍內，在水平方向較遠距離處產生影響不大，這與實際生產狀況相符合，主噴動壓主要作用在硅片前緣，對硅片兩側邊緣影響較小;側噴射流動壓作用方向及大小基本無變化。在主噴水孔40mm水平距離處豎直方向上均勻取對稱的9個監測點，分布長度為104mm，間隔為13mm，得出不同主噴壓力下各點的動壓分布狀況。距主噴嘴40mm處的動壓隨主噴壓力增大而增大，由于兩側的動壓受側噴影響，兩側動壓出現較大值，主噴射流隨著壓力增大逐漸向中間匯合，中間點處出現較大動壓值。通過對比發現主噴為0.01MPa、0.05MPa時，在主噴嘴x=40mm處動壓分布比較均勻。

2.不同側噴水板壓力對水下分離的影響。主噴、側噴水孔分別采用直徑0.8mm、1.0mm的圓柱形孔，主噴水孔壓力為0.05MPa，側噴水孔壓力分別采用0.10MPa、0.15MPa、0.20MPa進行分析。環境壓力依然保持為30mm水深的300Pa。動壓云圖觀察可以得，隨著側噴壓力變大，側噴射流變長，對主噴射流影響不大。分析可知，在距離主噴水孔40mm處，隨著側噴壓力增大，各點處動壓波動較大，且只有在側噴為0.15MPa時，中間范圍內的點保持穩定。

3.硅片水下分離實驗驗證。根據實際生產經驗及數值模擬分析結果可知，在主噴0.05MPa、側噴0.15MPa時，硅片前緣動壓分布均勻且穩定。因此，選擇主噴水孔直徑為0.8mm，側噴水孔直徑為1.0mm的硅片分離插片實驗裝置對規格為（156×156）mm的硅片進行水下分離實驗。同時通過硅片輸送軌道上的CCD圖像識別及檢測裝置記錄完整硅片的數量。實驗中，硅片前緣距離主噴水孔距離為40mm。提升裝置保持籃具內部最上層硅片始終處于水面以下30mm位置。調節閥門，觀察壓力傳感器讀數，保持側噴壓力為0.15MPa、主噴0.05MPa，進行多次重復性實驗，得出該條件下硅片的分離效率。由生產經驗及實驗結果可得，當主噴水板壓力過小時，硅片上升高度不足，無法觸發接近傳感器，吸片裝置不工作;當主噴水壓力過大可導致硅片受力增大，被水流沖擊碰撞而斷裂。當側噴壓力過大時，硅片也會斷裂，影響分離效率;當側噴壓力過小時，硅片相互粘連而不能單片分離。在數值模擬的理論依據下，以主噴0.05MPa、側噴0.15MPa為參考值可以達到較高的分離效率約4000片/h，能夠滿足目前的生產需求。

通過數值模擬研究了不同主噴及側噴壓力下動壓分布規律，在分離實驗驗證后得出以下結論：實驗結果及生產經驗表明，硅片分離效率并不隨動壓增大而增大，當動壓過大，硅片被水流沖擊斷裂，降低效率;當動壓過小，硅片相互粘附不被分離，在主噴0.05MPa、側噴0.15MPa附近可以獲得較高的分離效率。

參考文獻：

[1]王曉雨.太陽能用硅片技術及其進展[J].通信電源技術，2017，（30）：38-40.

[2]李瑞.晶體硅太陽能電池用硅片制備工藝及關鍵技術[J].云南冶金，2017，（40）：53-56

（作者單位：天津市環歐半導體材料技術有限公司）