田志民

【摘 ?要】近年來(lái)，光伏產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展極大地促進(jìn)了硅片制造技術(shù)和裝備的飛速發(fā)展。介紹國(guó)內(nèi)外硅片國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析，以及太陽(yáng)能硅片水下分離技術(shù)研究。

【關(guān)鍵詞】硅片;分離;技術(shù)研究

隨著人們對(duì)環(huán)境及資源的日益重視，太陽(yáng)能作為一種清潔、安全、用之不竭的綠色能源，已經(jīng)廣泛應(yīng)用從軍事領(lǐng)域、航天領(lǐng)域進(jìn)入工業(yè)、農(nóng)業(yè)、家用電器以及公用設(shè)施等部門，尤其可以分散的在邊遠(yuǎn)地區(qū)和農(nóng)村使用，節(jié)省造價(jià)昂貴的輸電線路。

一、硅片水下分離模擬實(shí)驗(yàn)裝置

為了進(jìn)行硅片水下分離實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)了一款硅片插片機(jī)樣機(jī)。插片機(jī)樣機(jī)由水下分離裝置、吸片裝置、吸片裝置、及圖像識(shí)別與檢測(cè)裝置等構(gòu)成，硅片水下分離裝置，如圖1所示。整個(gè)硅片水下分離裝置具體工作原理分為三個(gè)方面：

1.在水箱中注入一定量水，水深達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求。在水箱一端設(shè)置出水口，出水口出安裝過(guò)濾網(wǎng)，防止水箱內(nèi)硅片碎片進(jìn)入循環(huán)水路內(nèi)。水流經(jīng)由出水口、循環(huán)水路、離心泵、3個(gè)支路、鋼絲網(wǎng)紋管、噴水板進(jìn)入水箱完成循環(huán)，可以保持水位不變。其中，3個(gè)支路分別安裝1個(gè)截止閥與1個(gè)壓力傳感器。

2.將裝滿硅片的籃具放入水箱中，進(jìn)籃機(jī)構(gòu)可以相對(duì)主噴水板水平移動(dòng)籃具，以此調(diào)節(jié)硅片到噴水板距離;同時(shí)，籃具提升機(jī)構(gòu)可以相對(duì)于水面上下移動(dòng)籃具，使得籃具內(nèi)最上面一層硅片始終處于一定水深及環(huán)境壓力下。

3.1個(gè)主噴水板及2個(gè)側(cè)噴水板從三個(gè)方向?qū)杵瑖娚渌?，硅片在?dòng)壓作用下逐片分離并懸浮于水中。與此同時(shí)，吸片裝置將最上面的一片懸浮硅片吸附起來(lái)送入輸送軌道。輸送軌道上的圖像識(shí)別及檢測(cè)裝置可以識(shí)別破碎硅片，并統(tǒng)計(jì)硅片數(shù)量，從而可以對(duì)不同參數(shù)下硅片分離效率及破碎率進(jìn)行對(duì)比。在本實(shí)驗(yàn)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(hào)SC25/2.2臥式單級(jí)離心泵[6]，額定流量為25m 3/h，揚(yáng)程為17m;主側(cè)噴水板為有機(jī)玻璃材料;籃具可裝載硅片規(guī)格為156×156（±0.5mm）;進(jìn)籃機(jī)構(gòu)由絲杠與絲杠螺母配合而成，進(jìn)籃平臺(tái)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(gòu)成;圖像識(shí)別及檢測(cè)裝置通過(guò)CCD相機(jī)與圖像識(shí)別算法[7]的結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)缺陷硅片的識(shí)別與剔除，同時(shí)由計(jì)數(shù)傳感器統(tǒng)計(jì)軌道上通過(guò)的硅片數(shù)量。

二、不同參數(shù)對(duì)硅片水下分離的影響

根據(jù)硅片分離裝置的結(jié)構(gòu)及硅片厚度極薄的特點(diǎn)，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(cè)噴水板壓力入水孔，11、12、13為壓力出口。采用ANSYS/ICEM對(duì)模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，并在噴嘴處進(jìn)行局部加密，模型網(wǎng)格數(shù)量為101萬(wàn)，最大單元尺寸為0.2mm，并驗(yàn)證噴水網(wǎng)格無(wú)關(guān)性。180萬(wàn)網(wǎng)格與101萬(wàn)網(wǎng)格下主噴水孔處平均速度與動(dòng)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(yùn)用BodyForcedWeight離散壓力方程及SecondUpWind格式離散連續(xù)方程，通過(guò)觀測(cè)殘差曲線評(píng)測(cè)是否收斂。

1.不同主噴水板壓力對(duì)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(gè)重要因素。在水深30mm的環(huán)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(jìn)水壓力進(jìn)行仿真分析，側(cè)噴水孔為圓柱形，直徑為1.0mm，進(jìn)水壓力為0.15MPa。隨著主噴水孔壓力增大，主噴射流產(chǎn)生動(dòng)壓的作用范圍逐漸增加，在水平方向相同距離處的動(dòng)壓增大，在豎直方向動(dòng)壓范圍也在擴(kuò)大，主噴嘴產(chǎn)生的動(dòng)壓主要作用在靠近主噴嘴的豎直方向范圍內(nèi)，在水平方向較遠(yuǎn)距離處產(chǎn)生影響不大，這與實(shí)際生產(chǎn)狀況相符合，主噴動(dòng)壓主要作用在硅片前緣，對(duì)硅片兩側(cè)邊緣影響較小;側(cè)噴射流動(dòng)壓作用方向及大小基本無(wú)變化。在主噴水孔40mm水平距離處豎直方向上均勻取對(duì)稱的9個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，分布長(zhǎng)度為104mm，間隔為13mm，得出不同主噴壓力下各點(diǎn)的動(dòng)壓分布狀況。距主噴嘴40mm處的動(dòng)壓隨主噴壓力增大而增大，由于兩側(cè)的動(dòng)壓受側(cè)噴影響，兩側(cè)動(dòng)壓出現(xiàn)較大值，主噴射流隨著壓力增大逐漸向中間匯合，中間點(diǎn)處出現(xiàn)較大動(dòng)壓值。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)主噴為0.01MPa、0.05MPa時(shí)，在主噴嘴x=40mm處動(dòng)壓分布比較均勻。

2.不同側(cè)噴水板壓力對(duì)水下分離的影響。主噴、側(cè)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(cè)噴水孔壓力分別采用0.10MPa、0.15MPa、0.20MPa進(jìn)行分析。環(huán)境壓力依然保持為30mm水深的300Pa。動(dòng)壓云圖觀察可以得，隨著側(cè)噴壓力變大，側(cè)噴射流變長(zhǎng)，對(duì)主噴射流影響不大。分析可知，在距離主噴水孔40mm處，隨著側(cè)噴壓力增大，各點(diǎn)處動(dòng)壓波動(dòng)較大，且只有在側(cè)噴為0.15MPa時(shí)，中間范圍內(nèi)的點(diǎn)保持穩(wěn)定。

3.硅片水下分離實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)及數(shù)值模擬分析結(jié)果可知，在主噴0.05MPa、側(cè)噴0.15MPa時(shí)，硅片前緣動(dòng)壓分布均勻且穩(wěn)定。因此，選擇主噴水孔直徑為0.8mm，側(cè)噴水孔直徑為1.0mm的硅片分離插片實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)規(guī)格為（156×156）mm的硅片進(jìn)行水下分離實(shí)驗(yàn)。同時(shí)通過(guò)硅片輸送軌道上的CCD圖像識(shí)別及檢測(cè)裝置記錄完整硅片的數(shù)量。實(shí)驗(yàn)中，硅片前緣距離主噴水孔距離為40mm。提升裝置保持籃具內(nèi)部最上層硅片始終處于水面以下30mm位置。調(diào)節(jié)閥門，觀察壓力傳感器讀數(shù)，保持側(cè)噴壓力為0.15MPa、主噴0.05MPa，進(jìn)行多次重復(fù)性實(shí)驗(yàn)，得出該條件下硅片的分離效率。由生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得，當(dāng)主噴水板壓力過(guò)小時(shí)，硅片上升高度不足，無(wú)法觸發(fā)接近傳感器，吸片裝置不工作;當(dāng)主噴水壓力過(guò)大可導(dǎo)致硅片受力增大，被水流沖擊碰撞而斷裂。當(dāng)側(cè)噴壓力過(guò)大時(shí)，硅片也會(huì)斷裂，影響分離效率;當(dāng)側(cè)噴壓力過(guò)小時(shí)，硅片相互粘連而不能單片分離。在數(shù)值模擬的理論依據(jù)下，以主噴0.05MPa、側(cè)噴0.15MPa為參考值可以達(dá)到較高的分離效率約4000片/h，能夠滿足目前的生產(chǎn)需求。

通過(guò)數(shù)值模擬研究了不同主噴及側(cè)噴壓力下動(dòng)壓分布規(guī)律，在分離實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證后得出以下結(jié)論：實(shí)驗(yàn)結(jié)果及生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)表明，硅片分離效率并不隨動(dòng)壓增大而增大，當(dāng)動(dòng)壓過(guò)大，硅片被水流沖擊斷裂，降低效率;當(dāng)動(dòng)壓過(guò)小，硅片相互粘附不被分離，在主噴0.05MPa、側(cè)噴0.15MPa附近可以獲得較高的分離效率。

參考文獻(xiàn)：

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

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

（作者單位：天津市環(huán)歐半導(dǎo)體材料技術(shù)有限公司）