基于超聲波清洗技術的太陽能多晶硅片清洗裝置設計

(榆林職業技術學院，陜西 榆林 719000)

在光伏材料不斷優化發展趨勢下，市場競爭愈演愈烈，隨之硅片需求開始走向批量化，導致既有清洗裝置根本無法滿足硅片不同清洗工藝個性化需要。若設計新裝置，則會導致光伏加工成本增加，且投入生產周期過長，資金占有率太高，以此便會引發產品競爭力嚴重下降。而太陽能多晶硅片是通過切割研磨多晶材料，所獲取的平面硅材料產品，由于切割研磨主要采取機械加工方式，再加上硅片表層受化學鍵影響形成了很強的吸附力，很容易吸附砂漿、有機無機雜質、金屬粒子等眾多污染物。為清洗硅片表面吸附的污染物[1]，本文提出了一種基于超聲波清洗技術的太陽能多晶硅片清洗裝置。

1 太陽能多晶硅片超聲波清洗裝置

基于超聲波清洗技術的太陽能多晶硅片清洗裝置，可安裝于去磷硅玻璃加工與切割加工生產線上，以提升清洗成效[2]。太陽能多晶硅片超聲波清洗裝置結構具體如圖1所示。

圖1 太陽能多晶硅片超聲波清洗裝置結構

基于超聲波清洗技術的太陽能多晶硅片超聲波清洗裝置由機架與設置于機架內部的水槽共同構成，機架由水槽兩側端水平外延，水槽則安裝于機架中心位置，且朝下凹陷，以生成清洗液容納腔，機架水平面上則安設負責傳輸太陽能多晶硅片的輸送機構，其下凹于容納腔內，水槽底部水平面上安裝超聲波振蕩板，與水槽相對應生成夾層，夾層內部則配置負責驅動超聲波振蕩板振動的發生器，且水槽內部裝有面向輸送機構的氣泡發生機構，其可為輸送機構中的太陽能多晶硅片吹出氣泡。

太陽能多晶硅片超聲波清洗裝置輸送機構結構具體如圖2所示。

圖2 超聲波清洗裝置輸送機構結構

輸送機構由機架水平段與水槽內部清洗段組成，其中水平段和清洗段基于傾斜設置的過渡段相互銜接，此段太陽能多晶硅片通過過渡段傳輸之后，可順利進入容納腔；清洗段則處于容納腔內部，相較于水平段高度偏低。水平段、過渡段、清洗段都是基于橫向設置于機架與水槽上的輸送輥構成的，水平段與清洗段的輸送輥張緊有兩個輸送帶，過渡段輸送輥張緊有兩個過渡帶，輸送帶間間隔明顯大于過渡帶間隔。

氣泡發生機構則基于多個設置于輸送機構上部位置的氣泡管及其對接的充氣泵組成，氣泡管和輸送機構間留有太陽能多晶硅片可順利穿過的間隔，氣泡管上部位置則安裝了面向間隔的氣泡孔。水槽內部設置了與容納腔互通的進水口、出水口[3]。

基于超聲波清洗技術的太陽能多晶硅片清洗裝置以處于水槽兩側端的機架可直接裝配與生產線，經過輸送機構可快速傳輸去磷硅玻璃加工與切割加工中的硅片于水槽中，以順利實現連續傳輸于清洗，可避免使用機械爪與清洗籃單獨裝載硅片，通過輸送機構便可直接傳送硅片于水槽中完成超聲波清洗，不僅使用便捷，且清洗效率較高。

2 實驗準備

2.1 材 料

實驗過程所需材料為：硅片、液壓油、碳化硅、清洗液、正己烷、工業用凡士林。

2.2 儀 器

自制超聲波清洗裝置；表面接觸角測試儀[4]；顯微鏡；表面粗糙度測試儀；TEM。

3 結果分析

3.1 超聲波清洗裝置處理后多晶硅片表面形貌

以超聲波清洗裝置對太陽能多晶硅片進行污染物清洗，以顯微鏡測試清洗前后多晶硅片表面形貌，具體如圖3所示。

圖3 超聲波清洗裝置處理前后多晶硅片表觀形貌

由圖3可知，被污染的多晶硅片表面存在各式各樣污染物，以清洗液為輔助經超聲波清洗裝置，可高效清洗干凈多晶硅片表面污染物，看不到任何殘留污染物，色澤光亮均衡統一，說明相對于傳統清洗裝置，超聲波清洗裝置效果更為顯著[5]。

3.2 超聲波清洗裝置處理后多晶硅片表面接觸角

為深入探究分析太陽能多晶硅片清洗之后的潔凈度，測試了超聲波清洗裝置處理前后被污染多晶硅片的表面接觸角，結果具體如表1所示。

表1 超聲波裝置處理前后多晶硅片表面平均接觸角

由表1可知，超聲波清洗裝置處理前，太陽能多晶硅片平均接觸角較大，代表被污染硅片表面疏水性過強；超聲波清洗裝置處理后，太陽能多晶硅片平均接觸角顯著下降，說明基于超聲波作用，可有效清洗疏水性污染物，且符合多晶硅片清洗潔凈要求。

太陽能多晶硅片表面接觸角是有效衡量硅片表面清洗干凈程度的關鍵參數。在多晶硅片表面接觸角控制在10°之內時，可評斷此硅片表面足夠潔凈。為明確超聲波清洗裝置的最佳超聲波清洗功率，對不同功率下太陽能多晶硅片清洗之后的平均接觸角進行了測試，結果具體如表2所示(其他條件：時間5 min；溫度60 ℃)。

表2 不同超聲波功率清洗后多晶硅片表面平均接觸角

由表2可知，隨超聲波功率增加，清洗之后的太陽能多晶硅片表面接觸角呈現為先逐漸縮小，后有所增大的趨勢。超聲波屬于縱波，基于正壓與負壓交替變化方式傳輸，負壓狀態下，清洗液內部生成微小真空洞穴，溶解于其中的氣體便會快速進入空穴演變為氣泡；正壓狀態下，空穴氣泡受絕熱壓縮限制，被擠破的瞬間便會沖擊四周，釋放巨大能量，將太陽能多晶硅片表面污染物薄膜迅速擊破，從而清洗干凈。但是并非超聲波功率越高，超聲波清洗裝置實際效果越好，在功率過大時，多晶硅片表面會生成許多無用氣泡，組成聲屏障，導致距離聲源較遠的聲波強度下降，進而弱化清洗效果[6]。

3.3 超聲波清洗裝置處理后多晶硅片表面粗糙度

超聲波清洗裝置處理后太陽能多晶硅片的表面粗糙度具體如圖4所示。

圖4 超聲波清洗裝置處理后多晶硅片表面粗糙度

由圖4可知，超聲波清洗裝置處理后多晶硅片的表面粗糙度約為0.43μm，說明超聲波清洗裝置進行硅片清洗，可獲得更微小的表面粗糙度[7]。

為深層觀察太陽能多晶硅片的表面清洗潔凈度，以超聲波清洗裝置處理之后，吹干N2，冷卻并立即利用TEM進行測試，結果具體如圖5所示。

圖5 超聲波清洗裝置處理后多晶硅片表面TEM圖

由圖5可知，基于超聲波清洗裝置處理后，太陽能多晶硅片的表面只包含硅原子，并未觀察發現其他雜質元素污染，表面十分潔凈[8]。

由此可知，太陽能多晶硅片超聲波清洗裝置，操作簡潔便捷，清洗效果顯著，清洗時間短暫，成本相對偏低，節能環保，環境污染較小。

4 結 論

綜上所述，本文基于超聲波清洗技術設計了太陽能多晶硅片清洗裝置，其以處于水槽兩側端的機架可直接裝配與生產線，經過輸送機構可快速傳輸去磷硅玻璃加工與切割加工中的硅片于水槽中，以順利實現連續傳輸于清洗，可避免使用機械爪與清洗籃單獨裝載硅片，通過輸送機構便可直接傳送硅片于水槽中完成超聲波清洗，不僅使用便捷，且清洗效率較高。在此基礎上，通過實驗研究，得出結論：①被污染多晶硅片表面存在各式各樣污染物，以清洗液為輔助經超聲波清洗裝置，可高效清洗干凈多晶硅片表面污染物，看不到任何殘留污染物，色澤光亮均衡統一，說明相對于傳統清洗裝置，超聲波清洗裝置效果更為顯著；②超聲波清洗裝置處理前，太陽能多晶硅片平均接觸角較大，代表被污染硅片表面疏水性過強；③超聲波清洗裝置處理后，太陽能多晶硅片平均接觸角顯著下降，說明基于超聲波作用，可有效清洗疏水性污染物，且符合多晶硅片清洗潔凈要求；④隨超聲波功率增加，清洗之后的太陽能多晶硅片表面接觸角呈現為先逐漸縮小，后有所增大的趨勢，說明并非超聲波功率越高，超聲波清洗裝置實際效果越好，在功率過大時，多晶硅片表面會生成許多無用氣泡，組成聲屏障，導致距離聲源較遠的聲波強度下降，進而弱化清洗效果；⑤超聲波清洗裝置處理后多晶硅片的表面粗糙度約為0.43μm，說明超聲波清洗裝置進行硅片清洗，可獲得更微小的表面粗糙度；⑥基于超聲波清洗裝置處理后，太陽能多晶硅片的表面只包含硅原子，并未觀察發現其他雜質元素污染，表面十分潔凈。

總之，太陽能多晶硅片超聲波清洗裝置，操作簡潔便捷，清洗效果顯著，清洗時間短暫，成本相對偏低，節能環保，環境污染較小。