TOPCon太陽電池及光伏組件生產過程中的廢氣種類及處理方法綜述

摘 要：隧穿氧化層鈍化接觸（TOPCon）太陽電池在成本及光電轉換效率方面與其他硅基類太陽電池相比具有明顯優勢，是太陽電池領域發展的主要方向。首先詳細梳理了TOPCon太陽電池及光伏組件生產過程中產生的廢氣種類，分析了各類廢氣產生的原因；然后闡述了目前光伏行業常用的廢氣處理方法，并列舉了每種處理方法的優缺點；最后分析了當前廢氣處理技術難點，并對未來廢氣處理技術的發展趨勢進行了展望。研究結果表明：按工程處理的方式，TOPCon太陽電池及光伏組件生產過程中產生的廢氣主要可歸納為4大類，分別為等離子增強化學氣相沉積（PECVD）廢氣、酸堿性廢氣、有機廢氣、固體粉塵。PECVD廢氣中的硅烷廢氣通常采用直燃式焚燒爐焚燒的處理方法，酸堿類廢氣通常采用兩段式酸堿性廢氣凈化塔進行酸堿綜合回收處理，有機廢氣通常采用活性炭進行物理吸附處理，固體粉塵通常采用布袋除塵器進行過濾處理。未來廢氣處理技術將往更加高效環保、智能化、技術融合化及創新化3個方向發展。

關鍵詞：隧穿氧化層鈍化接觸太陽電池；光伏組件；生產工藝；酸堿性廢氣；有機廢氣；固體粉塵；廢氣處理方法

中圖分類號：TM615 " " " " 文獻標志碼：A

0 "引言

近年來，在“雙碳”目標的指引下和中國新能源轉型的時代背景下，光伏行業快速發展并脫穎而出。在眾多光伏發電技術中，隧穿氧化層鈍化接觸（TOPCon）太陽電池由于具備更高的光電轉換效率、采用較低成本即可從傳統PERC生產線轉型得到其生產線等優勢，成為光伏行業助力新能源轉型的主動能[1]。盡管TOPCon太陽電池在使用過程中能夠做到近乎零污染，但是在其生產過程中會產生多種廢氣，若不對這些廢氣進行有效處理，極易對環境造成二次污染。因此，本文主要針對TOPCon太陽電池及光伏組件生產過程中的廢氣種類及廢氣處理方法展開綜述。首先對每種廢氣產生的原因進行分析；然后闡述目前光伏行業常用的廢氣處理方法，并列舉每種處理方法的優缺點；最后對當前廢氣處理的技術難點進行分析，并對未來廢氣處理技術的發展趨勢進行展望。需要說明的是，固體粉塵會隨空氣流動飄散在環境中對人體產生危害，因此在工程設計中，將其視為廢氣并進行處理。

1 "TOPCon太陽電池及光伏組件生產過程中的廢氣種類

TOPCon太陽電池及光伏組件生產過程中產生的廢氣通常包括硅粉顆粒、酸堿性氣體、Cl2、SiH4及有機廢氣等。這些廢氣被排放到空氣中，不僅會危害動植物及人體的健康，而且會進入水體環境和土壤環境，引發更大的危害[2]。下文將結合TOPCon太陽電池及光伏組件的生產流程，對廢氣的種類及產生原因進行詳細分析。

1.1 "TOPCon太陽電池及光伏組件的生產流程

TOPCon太陽電池的生產流程主要是化學反應，反應產生的氣體和未反應完的氣體是主要廢氣來源。當前，主流的TOPCon太陽電池生產流程及產生的廢氣示意圖如圖1[1]所示。

將生產完成的TOPCon太陽電池封裝成TOPCon光伏組件成品的過程也會產生廢氣，具體生產流程及產生的廢氣示意圖如圖2所示。

1.2 "廢氣種類及產生原因

TOPCon太陽電池及光伏組件生產過程中產生的廢氣主要可分為固體粉塵、酸堿性廢氣、擴散類廢氣、等離子增強化學氣相沉積（PECVD）廢氣、印刷及燒結廢氣、焊接廢氣、有機廢氣、酒精廢氣這8個類型，下文對這些廢氣的產生原因進行具體分析。

1.2.1 "固體粉塵

固態粉塵主要來源于裁切硅片和裁切太陽電池工序，此類廢氣不僅會出現在TOPCon太陽電池及光伏組件的生產過程中，也是所有硅基太陽電池及光伏組件生產過程中都會出現的廢氣類型。硅片常用的裁切方式包括機械切割和激光切割兩種方式。其中，機械切割會產生大量的硅粉和研磨料的粉塵，激光切割會產生大量揮發性氣溶膠，這些廢氣會隨著空氣流動擴散到周圍環境中。

1.2.2 "酸堿性廢氣

酸堿性廢氣主要由清洗制絨、去BSG、去PSG這3道工序產生。

制絨工序是將清潔的硅片放入強堿（NaOH或KOH和異丙醇）的混合水溶液[3]或強酸（HF或HNO3）的稀溶液中，在溫度為80～90 ℃的工況下，溶液與硅片表面發生反應生成絨面金字塔結構。由于溫度較高，在制絨過程中，HF、HNO3、NaOH等溶液會揮發出酸堿性廢氣。

去BSG及去PSG工序通常使用HF溶液來腐蝕SiO2層[4]，從而達到剝落BSG和PSG的目的。由于HF極易揮發，該工序會揮發出含HF的酸性廢氣。

1.2.3 "擴散類廢氣

擴散類廢氣主要為Cl2，主要由制p-n結（擴散制磷摻雜晶硅層）和背面擴散制備摻雜多晶硅層（硼摻雜）這兩道工序產生。

擴散制磷摻雜晶硅層是使用N2將液態三氯氧磷（POCl3）帶入溫度在600 ℃以上的石英管內，升溫至800～900 ℃后，磷原子進入硅片表面[6]，其化學反應式為：

5POCl3→3PCl5 +P2O5 " " " " " " " " " " " " " " " " "（1）

4PCl5 +5O2 → 2P2O5 +10Cl2 ↑ " " " " " " " " " " "（2）

2P2O5 +5Si→4P↓+5SiO2 " " " " " " " " " " " " "（3）

硼摻雜是在石英管中通入氣態三氯化硼（BCl3），在溫度為850～950 ℃的工況下開始操作并升溫，當升溫至1000～1050 ℃時，硼原子被推入硅片表面[5]，其化學反應式為：

4BCl3+3O2 →2B2O3 +6Cl2 ↑ " " " " " " " " " " " "（4）

2B2O3+3Si → 4B↓+3SiO2 " " " " " " " " " " " " "（5）

從以上反應過程可以看出：兩種生產方式均會產生Cl2。

1.2.4 "PECVD廢氣

PECVD廢氣主要來自于正背面鈍化工序，主要為NH3和硅烷（主要成分為SiH4）。該工序的操作步驟是將SiH4和NH3通入溫度在450 ℃以下的石英管腔體內，與硅片表面反應生成氮化硅薄膜[7]，其反應過程可表示為：

3SiH4↑+4NH3↑→Si3N4↓+12H2↑ " " " " " " " " （6）

從上述反應過程可以看出，對參與反應的SiH4和NH3有嚴格的比例要求。然而在實際生產過程中，通常難以精確控制這一比例，因此總會有少量未反應完的SiH4和NH3廢氣排出，而且在反應完成后還會產生H2。因此該工序產生的廢氣主要為反應后殘留的SiH4、NH3和反應生成的H2。

1.2.5 "印刷及燒結廢氣

絲網印刷通常是在溫度為20±5 ℃、濕度為45%～60%的工況下，以絲網作為版基，將銀鋁漿等導電漿料與有機溶劑和有機添加劑（例如：乙基纖維素、環氧樹脂等）按一定比例進行稀釋，然后印刷到硅片表面，從而生成TOPCon太陽電池的金屬電極[8-9]。

燒結的目的是將絲網印刷之后形成的金屬電極與硅片緊密結合在一起，形成良好的導電性能，從而提高TOPCon太陽電池的光電轉換效率和使用壽命。漿料中多余的有機樹脂粘合劑在燒結過程中會被燃燒分解并揮發。

在上述絲網印刷和燒結工序中，會產生銀鋁漿揮發廢氣及少量有機廢氣。

1.2.6 "焊接廢氣

焊接工序主要是將光伏匯流帶焊接到TOPCon太陽電池正面（負極）的主柵線上，然后將每片太陽電池串連焊接在一起形成TOPCon光伏組件。TOPCon太陽電池和光伏匯流帶之間是通過Sn-Pb、Sn-Ag-Pb或Sn-Ag組成的焊點連接[10]。光伏匯流帶主要是由銅基材和鍍層合金構成，銅基材是導電載體，鍍層合金的作用是使光伏匯流帶與太陽電池的界面形成金屬間化合物層[11]，焊接時使用脂肪族醇作為助焊劑。因此在焊接工序會產生焊接煙塵、錫及其化合物的煙霧、非甲烷總烴等焊接廢氣。

1.2.7 "有機廢氣

在層壓、涂膠和裝框這兩道工序中，會使用乙烯-醋酸乙烯共聚物（EVA）膠膜、硅膠等非甲烷總烴類有機物。層壓工序的溫度為140～142 ℃，層壓后使熔融的EVA膠膜在溫度為25±2 ℃、濕度為75%～90%的固化間內自然固化，從而達到玻璃蓋板、太陽電池、背板緊密粘合的目的。在此生產過程中，會有EVA膠膜、硅膠受熱分解揮發出有機氣體，因此需要對這類有機廢氣進行處理。

1.2.8 "酒精廢氣

酒精廢氣主要來自于TOPCon光伏組件生產過程中的清潔檢測工序。該工序需要使用酒精清潔TOPCon光伏組件周邊殘留的EVA膠膜、硅膠等，因此會產生揮發的酒精廢氣。

2 "廢氣的處理方法概述

按工程處理的方式，將前文所述TOPCon太陽電池及光伏組件生產過程中產生的8種廢氣歸納為4大類，分別為：PECVD廢氣、酸堿性廢氣、有機廢氣、固體粉塵。

2.1 "PECVD廢氣的處理方法

硅烷逐漸泄漏到空氣中至體積濃度達到3%～4%時便會自燃、燃燒或爆炸，因此硅烷廢氣需要單獨處理，避免造成安全隱患。硅烷廢氣通常有4種處理方法，分別為：堿洗法、焚燒法、干法回收、水洗法[12]。

焚燒法在環保及生產安全方面的優勢都很明顯，是目前先進、有效的無害化處理技術，認可度較高[13]；該處理方法通常采用直燃式焚燒爐（TO）、換熱式催化氧化爐（CO）、蓄熱式高溫焚燒爐（RTO）、蓄熱式催化氧化爐（RCO）。由于催化氧化爐（CO、RCO）的運行維護成本較高，且催化劑普適性較低，會在特定工況下失效，因此不適用于光伏行業。而蓄熱式高溫焚燒爐在焚燒硅烷的過程中，硅烷分解的SiO2會在蓄熱陶瓷體結晶，造成爐體壓力降增大，傳熱性能下降，電耗增大；嚴重情況時爐體無法正常運行，導致生產停滯，造成經濟損失，因此其不適用于硅烷廢氣處理[14]。直燃式焚燒爐處理系統具有效率高、抗堵塞能力強的優勢[15]，可提高設備使用壽命，余熱回收效率可觀，可進一步實現低碳化生產。

2.2 "酸堿性廢氣的處理方法

常用的酸堿性廢氣處理方法包括中和法、氧化法、冷凝/吸附法、酸堿綜合回收法。中和法是使用石灰乳或氫氧化鈉等堿性物質吸收酸性氣體，或使用價格較低的石灰漿，在噴淋塔中與酸性廢氣發生化學反應；該方法操作簡單、適用范圍廣，但會消耗大量的中和劑，增加使用成本，且產生的廢渣需要進行后續處理。氧化法是在廢氣和吸收液中加入過量O2進行催化氧化反應，然后經過洗滌后排放；該方法會消耗大量的氧化劑，設備投資大且運行成本高。冷凝/吸附法適用于回收有機酸，通過冷凝或吸附作用回收有機酸，并進行進一步凈化處理；該方法會消耗大量冷卻水，導致能耗增加。酸堿綜合回收法是采用堿性溶液吸收酸性廢氣中的H+和SO42-，生成鹽類溶解于水排出，或用Na2CO3與H+結合形成碳酸鈉隨廢水排出；該方法不會消耗大量中和劑或氧化劑，并且產生的物質為無害的有機鹽，可以通過回收處理再利用，對企業生產實現降本增效有重要作用。

酸堿性廢氣處理通常采用兩段式酸堿性廢氣凈化塔，是將堿性廢氣作為吸收劑通入酸性洗滌塔中和酸性廢氣，將酸性廢氣作為吸收劑通入堿性洗滌塔中和堿性廢氣[16]。其工作原理是廢氣從塔底進入，利用填料的機械強度、耐腐蝕性、高孔隙率和大表面積，使廢氣與噴淋的酸（堿）性吸收液在填料表面有充分的接觸面積和時間，發生化學反應生成無害的鹽類和水；凈化后的氣體通過除霧裝置去除水分后排放到大氣中；吸收液可以循環使用。

2.3 "有機廢氣的處理方法

吸收法、冷凝法、吸附法是目前常用的有機廢氣回收方法[17]。吸附法和冷凝法從20世紀80年代開始逐漸成為主導方法。采用冷凝法時，若需要將處理后的尾氣濃度控制在25 g/m3以內，則投資和運行費用較高；采用吸附法處理后的尾氣濃度雖然能夠控制在10 g/m3以內，但過大的進口濃度產生的熱效應會顯著降低活性炭的吸附能力，且存在安全隱患[18]；吸收法通常需要使用吸收液來吸收有機物，處理過程中會有污水產生，若處理不當會造成二次污染。這3種處理方法均有優勢及局限性，需根據實際情況選擇最佳處理方法。

1）吸收法有物理吸收和化學吸收兩種方式。物理吸收是指將廢氣中的有機物物理性溶于吸收劑（水或其他可能的添加劑液體），其優勢在于處理系統簡單。化學吸收是指廢氣中的有機物與吸收劑發生化學反應生成無害化合物或沉淀物，其優點是可以處理難溶或特定類型的廢氣有機物，但缺點是需要更嚴格的操作控制和更復雜的廢氣處理系統[19]。

2）吸附法也有物理吸附和化學吸附兩種方式。物理吸附是指在低溫環境下，通過分子力吸附氣體分子，其優點是幾乎可以吸附任何氣體分子，且不會改變吸附劑的性質，容易進行脫附和再生；但缺點是無法處理高溫、高濃度的廢氣有機物。化學吸附是指通過化學反應吸附氣體分子，該方式能夠彌補物理吸附的不足，適用于高濃度、高熱量的廢氣處理[20]。

根據使用的吸附劑不同，吸附法常用的吸附塔可分為活性炭吸附塔、分子篩吸附塔等。

3）冷凝法是指將有機廢氣通過降溫或加壓方式冷凝，從氣態變為液態，從而達到分離并循環再利用的目的[21]，其常用于回收高價值、高濃度的揮發性有機物（VOCs）廢氣，主要分為機械冷凝法和液氮冷凝法[22]。機械冷凝法在不斷嚴格的排放標準要求下，需要設置多級重疊系統使制冷溫度降低，以確保廢氣中的有害物充分液化，導致該方法的成本較高。液氮冷凝法是利用液氮氣化吸熱使廢氣溫度降低（-180 ℃或以下）發生液化，從而達到分離的目的，而且產生的N2可以直接排放，不會污染環境，也可以回收用于氮封措施或吹掃系統等，不會造成資源浪費。許浩等[23]通過理論計算并結合實際案例分析，對3級液氮冷凝的VOCs回收系統的流程及裝置進行了研究，研究結果表明：針對高價值、高濃度、風量工況范圍較寬的VOCs廢氣，使用液氮冷凝法處理具有更高的經濟性。

2.4 "固體粉塵的處理方法

太陽電池生產環境對潔凈度的要求極高，通常TOPCon太陽電池的生產需求為千級標準，若存在粉塵污染會對TOPCon太陽電池良率有極大負面影響。TOPCon太陽電池生產過程中常見粉塵為硅片切割時產生的硅粉，這也是其他硅基類太陽電池生產過程中同樣面臨的問題。固體粉塵的處理方法一般有物理法、化學法、生物法。

1）物理法的原理是通過物理作用分離空氣中的粉塵，具體包括過濾法和靜電除塵法兩種。過濾法是指使用高效過濾器過濾空氣中的粉塵；高效過濾器能夠捕捉0.3 μm以上的顆粒物，對硅粉這類微小顆粒物也具有較好的過濾效果。過濾法的處理效果好，但成本較高。由于在TOPCon太陽電池生產過程中產生的硅粉顆粒較大、流量較小、濃度不高，通常使用袋式除塵器進行過濾處理。靜電除塵法是指在電場力的作用下，帶電粉塵被吸附在正負極板上，從而使粉塵從空氣中分離。靜電除塵裝置結構簡單、易于維護，具有較好的凈化效果。

2）化學法的原理是利用化學反應將硅粉從粉塵中轉化成易處理的形態，通常包括濕法處理和干法處理兩種方式。濕法處理是指將粉塵溶于水，使硅粉形成泥漿狀，再進行脫水、干燥等處理。濕法處理的效果好，但需要消耗大量的水資源，且可能產生二次污染。干法處理是指將粉塵與化學藥劑混合，使硅粉與藥劑發生化學反應，再對反應產物進行分離、提純。干法處理的操作簡單，但對反應條件和藥劑選擇的要求較高。

3）生物法是指利用微生物的吸附和分解作用處理固體粉塵，是較先進的粉塵處理方式。生物法具有處理成本低、無二次污染等優點；但對相關設備的要求較高，處理時間較長，且需要合適的溫度和濕度條件[24]。

2.5 "實際應用案例

松原市某企業、鹽池縣某企業、義烏市某企業、杭州市某企業等在TOPCon太陽電池及光伏組件生產過程中，針對硅烷廢氣采用直燃式焚燒爐焚燒的處理方法；酸堿類廢氣采用兩段式酸堿性廢氣凈化塔進行酸堿綜合回收處理；有機廢氣采用活性炭進行物理吸附處理，這是因為活性炭的性價比高，處理系統簡單，成本較低，同時不會像吸收法一樣產生廢水增加二次處理成本；固體粉塵采用布袋除塵器進行過濾處理。

3 "廢氣處理技術難點及發展趨勢

3.1 "技術難點

目前，TOPCon太陽電池及光伏組件生產過程中廢氣處理技術的發展仍存在一些制約因素，技術難點主要為以下3點。

1） TOPCon太陽電池及光伏組件生產過程中產生的廢氣種類復雜多樣。廢氣排放通常是連續的，且排放濃度和成分經常波動，這種連續性和不穩定性增加了其處理難度。酸堿性廢氣處理技術的核心是酸堿中和，當酸堿濃度因波動而不匹配時，未被消除的酸堿性廢氣會腐蝕設備及管道。有機廢氣處理的難點主要體現在其成分復雜，比如：烴類有機物、氮氧化物、Vocs等，這些物質的種類多，性質各異，因此為了對有機廢氣的不同成分進行精準處理，通常需要選擇多套處理系統，而且對設備綜合處理能力的要求也較高。

2）隨著人們生活質量的不斷提高，國家對環保的要求也日趨嚴格，這對廢氣處理技術提出了更高的挑戰。

3）廢氣處理設備的初始投資和運行成本較高，如何降本增效也是主要的技術難點。

3.2 "發展趨勢

為解決目前TOPCon太陽電池及光伏組件生產過程中廢氣處理技術遇到的難點，未來技術發展趨勢主要朝著更加高效環保、智能化、技術融合化及創新化3個方向推進。

1）更加高效環保。為應對日趨嚴格的環保標準，廢氣處理設備的處理能力需要更上一層樓，而且設備也需要使用無毒、無害、綠色環保的吸附劑，研發相關新材料也將成為今后的發展方向。

2）智能化。通過智能化可實時監測廢氣處理效果，實現處理設備的遠程監控和故障診斷，比如：能夠有效解決廢氣連續排放時，排放濃度是否達標和成分經常波動的問題等。

3）技術融合化及創新化。現有的廢氣處理技術多而雜，且具有一定的局限性，未來綜合治理技術將成為一種趨勢，比如：吸附-催化燃燒綜合技術、吸附-溶劑回收技術等。除此之外，一些新型處理技術，比如：低溫等離子體法、生物處理法，目前在理論和實驗中已經取得了一定的突破[25]。

4 "結論

本文首先對TOPCon太陽電池及光伏組件生產過程中產生的廢氣種類和各類廢氣產生的原因進行了分析；然后闡述了目前光伏行業常用的廢氣處理方法，并列舉出每種處理方法的優缺點；最后分析了當前廢氣處理技術難點，并展望了未來廢氣處理技術的發展趨勢。按工程處理的方式，TOPCon太陽電池及光伏組件生產過程中產生的廢氣可歸納為4大類，分別為PECVD廢氣、酸堿性廢氣、有機廢氣、固體粉塵。PECVD廢氣中的硅烷廢氣通常采用直燃式焚燒爐焚燒的處理方法，酸堿類廢氣通常采用兩段式酸堿性廢氣凈化塔進行酸堿綜合回收處理，有機廢氣通常采用活性炭進行物理吸附處理，固體粉塵通常采用布袋除塵器進行過濾處理。未來，廢氣處理技術將朝著更加高效環保、智能化、技術融合化及創新化3個方向發展。

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OVERVIEW OF WASTE GAS TYPES AND TREATMENT METHODS IN PRODUCTION PROCESS OF TOPCon SOLAR CELLS AND

PV MODULES

Liu Zilong，Zeng Peng，Jin Shuangshuang，Kuang Zhongfu，Fang Zheng

（China United Engineering Co.，Ltd，Hangzhou 310052，China）

Abstract：TOPCon solar cells have significant advantages in cost and photoelectric conversion efficiency compared to other silicon-based solar cells，and are the main direction of development in the field of solar cells. First，this paper provides a detailed overview of the types of waste gas generated during the production process of TOPCon solar cells and PV modules，and analyzes the reasons for each type of waste gas. Then，the commonly used waste gas treatment methods in the PV industry are elaborated，and the advantages and disadvantages of each treatment method are listed. Finally，the current difficulties in waste gas treatment technology are analyzed，and the future development trends of waste gas treatment technology are discussed. The research results show that，according to the engineering treatment method，the waste gas generated during the production process of TOPCon solar cells and PV modules can be mainly classified into four categories： PECVD waste gas，acidic and alkaline waste gas，organic waste gas，and solid dust. Silane waste gas in PECVD waste gas is usually treated by direct combustion incinerator incineration. Among them，acidic and alkaline waste gas is usually treated with a two-stage acidic and alkaline waste gas purification tower for comprehensive acidic and alkaline recovery，organic waste gas is usually treated with activated carbon for physical adsorption，and solid dust is usually filtered using a bag filter. In the future，waste gas treatment technology will develop towards three directions： more efficient and environmentally friendly，intelligent，technology integration and innovation.

Keywords：TOPCon solar cells；PV module；production process；acidic and alkaline waste gas；organic waste gas；solid dust；waste gas treatment methods