基于超聲波清洗技術(shù)的太陽(yáng)能多晶硅片清洗裝置設(shè)計(jì)

(榆林職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 榆林 719000)

在光伏材料不斷優(yōu)化發(fā)展趨勢(shì)下，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)愈演愈烈，隨之硅片需求開(kāi)始走向批量化，導(dǎo)致既有清洗裝置根本無(wú)法滿(mǎn)足硅片不同清洗工藝個(gè)性化需要。若設(shè)計(jì)新裝置，則會(huì)導(dǎo)致光伏加工成本增加，且投入生產(chǎn)周期過(guò)長(zhǎng)，資金占有率太高，以此便會(huì)引發(fā)產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力嚴(yán)重下降。而太陽(yáng)能多晶硅片是通過(guò)切割研磨多晶材料，所獲取的平面硅材料產(chǎn)品，由于切割研磨主要采取機(jī)械加工方式，再加上硅片表層受化學(xué)鍵影響形成了很強(qiáng)的吸附力，很容易吸附砂漿、有機(jī)無(wú)機(jī)雜質(zhì)、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(shù)的太陽(yáng)能多晶硅片清洗裝置。

1 太陽(yáng)能多晶硅片超聲波清洗裝置

基于超聲波清洗技術(shù)的太陽(yáng)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(chǎn)線(xiàn)上，以提升清洗成效[2]。太陽(yáng)能多晶硅片超聲波清洗裝置結(jié)構(gòu)具體如圖1所示。

圖1 太陽(yáng)能多晶硅片超聲波清洗裝置結(jié)構(gòu)

基于超聲波清洗技術(shù)的太陽(yáng)能多晶硅片超聲波清洗裝置由機(jī)架與設(shè)置于機(jī)架內(nèi)部的水槽共同構(gòu)成，機(jī)架由水槽兩側(cè)端水平外延，水槽則安裝于機(jī)架中心位置，且朝下凹陷，以生成清洗液容納腔，機(jī)架水平面上則安設(shè)負(fù)責(zé)傳輸太陽(yáng)能多晶硅片的輸送機(jī)構(gòu)，其下凹于容納腔內(nèi)，水槽底部水平面上安裝超聲波振蕩板，與水槽相對(duì)應(yīng)生成夾層，夾層內(nèi)部則配置負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)超聲波振蕩板振動(dòng)的發(fā)生器，且水槽內(nèi)部裝有面向輸送機(jī)構(gòu)的氣泡發(fā)生機(jī)構(gòu)，其可為輸送機(jī)構(gòu)中的太陽(yáng)能多晶硅片吹出氣泡。

太陽(yáng)能多晶硅片超聲波清洗裝置輸送機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)具體如圖2所示。

圖2 超聲波清洗裝置輸送機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)

輸送機(jī)構(gòu)由機(jī)架水平段與水槽內(nèi)部清洗段組成，其中水平段和清洗段基于傾斜設(shè)置的過(guò)渡段相互銜接，此段太陽(yáng)能多晶硅片通過(guò)過(guò)渡段傳輸之后，可順利進(jìn)入容納腔；清洗段則處于容納腔內(nèi)部，相較于水平段高度偏低。水平段、過(guò)渡段、清洗段都是基于橫向設(shè)置于機(jī)架與水槽上的輸送輥構(gòu)成的，水平段與清洗段的輸送輥張緊有兩個(gè)輸送帶，過(guò)渡段輸送輥張緊有兩個(gè)過(guò)渡帶，輸送帶間間隔明顯大于過(guò)渡帶間隔。

氣泡發(fā)生機(jī)構(gòu)則基于多個(gè)設(shè)置于輸送機(jī)構(gòu)上部位置的氣泡管及其對(duì)接的充氣泵組成，氣泡管和輸送機(jī)構(gòu)間留有太陽(yáng)能多晶硅片可順利穿過(guò)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(nèi)部設(shè)置了與容納腔互通的進(jìn)水口、出水口[3]。

基于超聲波清洗技術(shù)的太陽(yáng)能多晶硅片清洗裝置以處于水槽兩側(cè)端的機(jī)架可直接裝配與生產(chǎn)線(xiàn)，經(jīng)過(guò)輸送機(jī)構(gòu)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(shí)現(xiàn)連續(xù)傳輸于清洗，可避免使用機(jī)械爪與清洗籃單獨(dú)裝載硅片，通過(guò)輸送機(jī)構(gòu)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(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

2.1 材 料

實(shí)驗(yàn)過(guò)程所需材料為：硅片、液壓油、碳化硅、清洗液、正己烷、工業(yè)用凡士林。

2.2 儀 器

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

3 結(jié)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(duì)太陽(yáng)能多晶硅片進(jìn)行污染物清洗，以顯微鏡測(cè)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(jīng)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(tǒng)一，說(shuō)明相對(duì)于傳統(tǒng)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(yáng)能多晶硅片清洗之后的潔凈度，測(cè)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(jié)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(yáng)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(guò)強(qiáng)；超聲波清洗裝置處理后，太陽(yáng)能多晶硅片平均接觸角顯著下降，說(shuō)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(yáng)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(guān)鍵參數(shù)。在多晶硅片表面接觸角控制在10°之內(nèi)時(shí)，可評(píng)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(duì)不同功率下太陽(yáng)能多晶硅片清洗之后的平均接觸角進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果具體如表2所示(其他條件：時(shí)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(yáng)能多晶硅片表面接觸角呈現(xiàn)為先逐漸縮小，后有所增大的趨勢(shì)。超聲波屬于縱波，基于正壓與負(fù)壓交替變化方式傳輸，負(fù)壓狀態(tài)下，清洗液內(nèi)部生成微小真空洞穴，溶解于其中的氣體便會(huì)快速進(jìn)入空穴演變?yōu)闅馀?；正壓狀態(tài)下，空穴氣泡受絕熱壓縮限制，被擠破的瞬間便會(huì)沖擊四周，釋放巨大能量，將太陽(yáng)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(shí)際效果越好，在功率過(guò)大時(shí)，多晶硅片表面會(huì)生成許多無(wú)用氣泡，組成聲屏障，導(dǎo)致距離聲源較遠(yuǎn)的聲波強(qiáng)度下降，進(jìn)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(yáng)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(shuō)明超聲波清洗裝置進(jìn)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(yáng)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(jìn)行測(cè)試，結(jié)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(yáng)能多晶硅片的表面只包含硅原子，并未觀察發(fā)現(xiàn)其他雜質(zhì)元素污染，表面十分潔凈[8]。

由此可知，太陽(yáng)能多晶硅片超聲波清洗裝置，操作簡(jiǎn)潔便捷，清洗效果顯著，清洗時(shí)間短暫，成本相對(duì)偏低，節(jié)能環(huán)保，環(huán)境污染較小。

4 結(jié) 論

綜上所述，本文基于超聲波清洗技術(shù)設(shè)計(jì)了太陽(yáng)能多晶硅片清洗裝置，其以處于水槽兩側(cè)端的機(jī)架可直接裝配與生產(chǎn)線(xiàn)，經(jīng)過(guò)輸送機(jī)構(gòu)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(shí)現(xiàn)連續(xù)傳輸于清洗，可避免使用機(jī)械爪與清洗籃單獨(dú)裝載硅片，通過(guò)輸送機(jī)構(gòu)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(chǔ)上，通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究，得出結(jié)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(jīng)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(tǒng)一，說(shuō)明相對(duì)于傳統(tǒng)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(yáng)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(guò)強(qiáng)；③超聲波清洗裝置處理后，太陽(yáng)能多晶硅片平均接觸角顯著下降，說(shuō)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(yáng)能多晶硅片表面接觸角呈現(xiàn)為先逐漸縮小，后有所增大的趨勢(shì)，說(shuō)明并非超聲波功率越高，超聲波清洗裝置實(shí)際效果越好，在功率過(guò)大時(shí)，多晶硅片表面會(huì)生成許多無(wú)用氣泡，組成聲屏障，導(dǎo)致距離聲源較遠(yuǎn)的聲波強(qiáng)度下降，進(jìn)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(shuō)明超聲波清洗裝置進(jìn)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(yáng)能多晶硅片的表面只包含硅原子，并未觀察發(fā)現(xiàn)其他雜質(zhì)元素污染，表面十分潔凈。

總之，太陽(yáng)能多晶硅片超聲波清洗裝置，操作簡(jiǎn)潔便捷，清洗效果顯著，清洗時(shí)間短暫，成本相對(duì)偏低，節(jié)能環(huán)保，環(huán)境污染較小。