硅是重要的半導(dǎo)體材料，在光伏技術(shù)飛速發(fā)展的今天，利用硅材料所生產(chǎn)的太陽(yáng)能電池可以直接把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能。截至2016年底，我國(guó)光伏發(fā)電新增裝機(jī)容量3454萬(wàn)千瓦，累計(jì)裝機(jī)容量7742萬(wàn)千瓦，新增和累計(jì)裝機(jī)容量均為全球第一。光伏組件的自動(dòng)化生產(chǎn)，對(duì)我國(guó)改善能源發(fā)展環(huán)境，推進(jìn)能源生產(chǎn)和利用有諸多戰(zhàn)略意義。

圖1 硅料及產(chǎn)品應(yīng)用示意圖

硅料清洗的必要性及現(xiàn)狀

在生產(chǎn)太陽(yáng)能單晶、多晶硅片的過(guò)程中，通過(guò)切割、加工等工序，將圓柱硅料切方，會(huì)產(chǎn)生頭尾邊皮和各類(lèi)殘余料。其表面在加工過(guò)程中殘留了切割液、金屬離子、指紋等各類(lèi)雜質(zhì)。

圖2 硅料表面的常見(jiàn)附著物

企業(yè)為追求精益化生產(chǎn)，往往會(huì)選擇回收廢料，二次制作成純凈的硅棒。這些廢料需要進(jìn)行收集、清洗、回爐、熔煉等工序，對(duì)硅料潔凈度要求極高（雜質(zhì)率≤0.05%），一旦殘余料中溶入了雜質(zhì)，回爐燒結(jié)過(guò)程中會(huì)污染整爐硅棒，并無(wú)法可靠檢測(cè)，后續(xù)工藝制成的電池組對(duì)太陽(yáng)能電站的發(fā)電效率影響極大（約降低發(fā)電效率的8%~12%）。

圖3 待清潔的邊角料及殘余料

所以，在太陽(yáng)能電池板的制取過(guò)程中，硅料的清洗是核心工藝，直接影響光伏發(fā)電的性能。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，為了保持硅料的潔凈水平，工人必須穿戴潔凈服、手套、面罩等衣物，防止污染產(chǎn)品，操作極其繁瑣。清洗硅料用到的硝酸、氫氟酸、氫氧化鈉等強(qiáng)酸強(qiáng)堿化學(xué)品，在反應(yīng)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生氮氧化物氣體，不但損害工人身體健康，清洗潔凈度由于人為操作的因素也無(wú)法保證，效率更是無(wú)從談起。對(duì)于生產(chǎn)企業(yè)來(lái)講，所產(chǎn)生的廢水廢料還面臨著嚴(yán)峻的環(huán)保問(wèn)題。

自動(dòng)化清洗技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用

為去除硅料表面的筆跡、膠印、灰塵、金屬離子等雜質(zhì)，該技術(shù)集成了超聲波、堿洗、水洗等工藝。在傳統(tǒng)的清洗工序中，膠印的清理，極大的增加了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，不同于常規(guī)清洗，該技術(shù)的特色是可通過(guò)自動(dòng)化毛刷洗去膠印。膠印的來(lái)源是部分生產(chǎn)企業(yè)為硅棒添加了溯源標(biāo)簽，粘貼于切割面上。

設(shè)備自保護(hù)及兼容性

為防止堿洗液及酸洗液對(duì)設(shè)備造成腐蝕，采用不銹鋼304鋼板（δ2.0mm）包覆，接觸面、輸送輥道采用PP板（δ5.0mm）做內(nèi)襯（PP板可同時(shí)耐酸堿），各類(lèi)管路使用PP-R材質(zhì)，能有效延長(zhǎng)設(shè)備使用周期。該設(shè)備根據(jù)工藝需要，不僅可進(jìn)行堿洗，同時(shí)兼容硅料酸洗。

酒精、超聲、清水全方位自動(dòng)化清洗工藝

第一道：酒精刷洗利用“相似相溶”的原理能溶解油性記號(hào)筆的筆跡，因?yàn)榫凭拘暂^小，易于回收，價(jià)格較低，所以選取酒精作為洗液。在酒精主槽內(nèi)，用自動(dòng)化毛刷刷洗硅料表面；同時(shí)酒精具有減小膠水附著力的功能，通過(guò)物理刷洗可去除膠印；

第二道：超聲堿洗，通過(guò)超聲波的震蕩、爆破、剝離作用去除硅料表面的硬性雜質(zhì)。

第三道：清水噴淋漂洗，不同于傳統(tǒng)的浸泡清洗方式。原因：在水槽中直接漂洗，硅料出水面時(shí)，水面上的雜質(zhì)會(huì)附著在硅料上。噴淋漂洗時(shí)，直接沖走雜質(zhì)，污水經(jīng)過(guò)數(shù)層濾芯的過(guò)濾可重復(fù)使用。

圖4 自動(dòng)化清洗線示意圖

超柔性及擴(kuò)展性

各清洗槽及配件以模塊化設(shè)計(jì)為主，預(yù)留各類(lèi)接口，采用組合式框架結(jié)構(gòu)。根據(jù)需要改進(jìn)工藝后，新增的機(jī)械結(jié)構(gòu)可以融合至現(xiàn)有的設(shè)備中。堿洗機(jī)清洗槽全部用PP板制造，堿洗中可以加入酸洗工藝。

安全防護(hù)及可持續(xù)性

整線全密封操作，廢棄液體統(tǒng)一回收處理。酒精操作工序密閉，空氣接觸量少，酒精循環(huán)泵采用氣動(dòng)隔膜泵，無(wú)電源，不具備引燃條件；在酒精主槽入料時(shí)，輔助排風(fēng)管，風(fēng)機(jī)吸收酒精揮發(fā)的氣體，氣體引入至水槽，被水稀釋。并配有酒精回收裝置，是防爆型設(shè)備，不規(guī)劃在車(chē)間內(nèi)，獨(dú)立放置，安全系數(shù)高。

圖5 硅料自動(dòng)化清洗車(chē)間

自動(dòng)化清洗技術(shù)拓展化應(yīng)用前景

硅料清洗自動(dòng)化技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，是北鋼聯(lián)在光伏新能源產(chǎn)業(yè)的又一技術(shù)突破。通過(guò)應(yīng)用新工藝、新設(shè)備，提高了硅料的清洗質(zhì)量和效率，降低了用工成本及勞動(dòng)強(qiáng)度，單線清洗效率可達(dá)4.8T/天，1名工人可同時(shí)監(jiān)控3條自動(dòng)化清洗線，并減少了清洗液的浪費(fèi)，達(dá)到環(huán)保無(wú)污染的要求。該技術(shù)還具有極大的發(fā)展?jié)摿Γ粌H適用于硅料清洗，還可經(jīng)過(guò)改進(jìn)廣泛適用于各類(lèi)塊料、棒料及同屬性工藝的產(chǎn)品清洗。