太陽能硅片頭尾料回收用高溫爐設計

鮑瑤

【摘 要】目前太陽能硅片是制造太陽能電池的重要原料，而其加工方式主要是多線切割。為避免切割后硅片膨脹產生碎片，一般在硅錠頭尾部留有2‐3mm的厚度余量，切割結束后，對廢棄硅片進行脫膠處理后實現回收再利用。而目前行業中對切割后廢硅片上的殘膠去除方法都存在一定弊端，會產生有害氣體嚴重污染大氣。本文提出一種新的廢棄硅片殘膠處理方法，即對硅片在高溫爐中進行高溫處理去除殘膠的方法。

【關鍵詞】太陽能硅片；殘膠；高溫裂解

1.太陽能硅片切割技術的現狀

當前全球各國各地區在能源方面都在追求綠色發展，減少污染排放、減輕全球氣候變暖帶來的不良影響、節約能源，所以各國都在開發綠色能源；隨著綠色能源的推廣與發展以及半導體技術的不斷進步，太陽能硅片市場中硅片的供需已經極度的不平衡，而作為硅片生產中的關鍵技術，硅片切割加工的技術能力直接影響到硅片的后續生產以及各方面性能，并且如果硅片切割技術落后，也會對硅片產業的各方面產生極大影響，這也正是目前太陽能電池產業鏈遭遇瓶頸的原因。

目前在行業中多線切割硅片應用最為廣泛，但因為其在切割過程中刀損較大降低加工效率等方面的缺陷，而且將研磨粒與切屑粒分離較難，成本很高，所以在切割過程中減小刀損、減小硅片厚度以及提高磨粒利用率已成為迫切要求。因此隨著太陽能技術的不斷發展和完善以及硅片資源出現短缺，具有大尺寸的超薄硅片將成為改善以上問題的重要方法。多線切割技術以及與其相似的電火花切割技術也會不斷成熟發展和完善。

2.回收硅片所用高溫爐的設計

2.1 爐型的選擇

如何正確的選擇爐型的核心是：符合所加工零件的工藝和產量的要求；確保爐型有與時俱進的技術；保證爐型在價格等方面的經濟性。選擇爐型主要有以下幾個方面：

1.對于所加工工件來說要充分考慮工件的大小、形態、質量和材料；

2.對于技術要求和精度來說，要充分考慮加熱溫度、爐腔介質、冷卻速度、冷卻方式、表面狀態以及允許變形量等；

3.要根據產量的不同合理選擇相應的爐型；

4.高溫爐特性：爐溫均勻性、準確性、控制精度等。

5.其他：車間廠房結構、地基、爐子建造等。

綜合本次試驗的要求以及以上，本次試驗選擇箱式熱處理電阻爐，工作溫度≤1000℃。

2.2 爐體結構和尺寸的確定

爐門的設計要求爐門必須密封性好，即在爐門關閉時必須嚴密緊致，而且爐門要求較輕的重量，爐門的保溫性能以及在高溫工作時機械性能良好。爐門的作用不僅僅是阻擋工作腔的熱輻射，還具有保證爐膛具有良好密封性的作用；如果爐門的密封性不好，在工作時吸入外界的冷空氣，會加大熱量的損失，而且在加工過程中氧化脫碳程度也會加重，并且對加熱的均勻性也有一定影響。所以爐門材料必須牢固，由于爐門厚度并不大，所以爐門材料必須具有良好的保溫性，所以宜采用超輕質耐火材料。

爐膛尺寸是爐體結構設計中一個十分重要的部分，一般爐膛尺寸由工作性能以及所加工材料的大小和形狀所決定；因此我根據本次試驗所用硅片大小選擇爐膛尺寸為300（長）X200（寬）X200（高）的高溫爐。

2.3高溫爐電熱元件的設計

（1）電熱元件的材料

電熱材料是制造發熱元件的材料，而發熱元件是整個高溫爐中最核心部件，因為高溫爐正是通過電熱元件的熱傳導來進行工作的，因此合理的選用電熱元件的材料對高溫爐的加熱性能和使用壽命都有至關重要的作用。在選擇電熱元件材料時主要應滿足以下幾點要求：

1.良好的化學穩定性和在高溫情況下良好的力學性能。2.具有高的電阻率，以便制作成適當尺寸的元件。3.具有較低的電阻溫度系數；當電熱元件具有較低的電阻溫度系數時，在爐溫發生變化時爐內功率變化較小，爐溫波動不明顯；若爐內溫度變化低于電阻溫度系數時，爐內功率變化明顯，溫度波動大，所以應安裝調壓變壓器。4.具有較低的熱膨脹系數，避免電熱元件因為高溫而發生膨脹和過度伸長進而造成工作困難。5.具有良好的機械加工性能，從而易于加工成所需形狀并且易于焊接。

（2）高溫爐電熱元件接線方法的確定

一般情況下高溫爐工作時所接電壓均為車間電網電壓，即220V或380V；若采用一些電阻溫度系數較大或者有特殊工藝要求的電熱材料作為電熱元件時可采用低壓供電。通常情況下，高溫爐功率P≤25kW時，宜采用220V或380V單相串聯接法；當高溫爐功率P為30～75kW時，通常采用三相380V星形接法或三相220V三角形接法；當高溫爐功率P≥75kW[23]時；電熱元件分為兩組或以上的380V星形接法或三相220V三角形接法。這樣保證每組功率在30～75kW之間，防止電熱元件功率過大，從而保持爐溫在合理范圍內。綜上所述，因為經過計算此次設計的高溫爐功率為5kW，所以選擇的接線方式是單相串聯接線。

（3）電熱元件的布置

通常情況下電熱元件一般安裝在爐膛的內壁，所以本次設計中，硅碳棒安裝在爐膛內壁的兩側，查表得兩兩硅碳棒間的距離應大于等于35mm，硅碳棒中心距爐膛內墻距離在20mm左右，不過一般來說具體距離可在不改變高溫爐工作條件和方式以及工作效率的條件下，根據實際情況進行相應改動。本次設計中硅碳棒分為兩組，每組6根分別安裝在爐膛內壁的左右兩側，在電熱元件工作時還需根據電熱元件特性配備相應的調壓器保證電熱元件正常工作。

圖1 箱體裝配實體

3.廢氣處理

因為硅片上附著的為雙組份膠水，其主要成分為丙烯酸酯，丙烯酸酯在完全燃燒時產物為二氧化碳和水，雖然在經過之前高溫爐氣化處理后丙烯酸酯在燃燒時會更加充分，但是由于丙烯酸酯是大分子有機化合物，所以不會徹底達到完全燃燒的程度，而丙烯酸酯在不完全燃燒的情況下會產生一氧化碳等有害氣體，所以需要對丙烯酸酯燃燒所產生的有害氣體進行處理。

本文尾氣的處理主要采用活性炭吸附的方法，將在燃燒時中燃燒后所產生的氣體通入裝有活性炭的裝置中，經過活性炭的吸附作用，廢氣中的有害氣體含量明顯降低，大大減少試驗對于人體和環境的不良影響。

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（作者單位：山東科技大學）