基于超声波清洗技术的太阳能多晶硅片清洗装置设计

(榆林职业技术学院，陕西 榆林 719000)

在光伏材料不断优化发展趋势下，市场竞争愈演愈烈，随之硅片需求开始走向批量化，导致既有清洗装置根本无法满足硅片不同清洗工艺个性化需要。若设计新装置，则会导致光伏加工成本增加，且投入生产周期过长，资金占有率太高，以此便会引发产品竞争力严重下降。而太阳能多晶硅片是通过切割研磨多晶材料，所获取的平面硅材料产品，由于切割研磨主要采取机械加工方式，再加上硅片表层受化学键影响形成了很强的吸附力，很容易吸附砂浆、有机无机杂质、金属粒子等众多污染物。为清洗硅片表面吸附的污染物[1]，本文提出了一种基于超声波清洗技术的太阳能多晶硅片清洗装置。

1 太阳能多晶硅片超声波清洗装置

基于超声波清洗技术的太阳能多晶硅片清洗装置，可安装于去磷硅玻璃加工与切割加工生产线上，以提升清洗成效[2]。太阳能多晶硅片超声波清洗装置结构具体如图1所示。

图1 太阳能多晶硅片超声波清洗装置结构

基于超声波清洗技术的太阳能多晶硅片超声波清洗装置由机架与设置于机架内部的水槽共同构成，机架由水槽两侧端水平外延，水槽则安装于机架中心位置，且朝下凹陷，以生成清洗液容纳腔，机架水平面上则安设负责传输太阳能多晶硅片的输送机构，其下凹于容纳腔内，水槽底部水平面上安装超声波振荡板，与水槽相对应生成夹层，夹层内部则配置负责驱动超声波振荡板振动的发生器，且水槽内部装有面向输送机构的气泡发生机构，其可为输送机构中的太阳能多晶硅片吹出气泡。

太阳能多晶硅片超声波清洗装置输送机构结构具体如图2所示。

图2 超声波清洗装置输送机构结构

输送机构由机架水平段与水槽内部清洗段组成，其中水平段和清洗段基于倾斜设置的过渡段相互衔接，此段太阳能多晶硅片通过过渡段传输之后，可顺利进入容纳腔；清洗段则处于容纳腔内部，相较于水平段高度偏低。水平段、过渡段、清洗段都是基于横向设置于机架与水槽上的输送辊构成的，水平段与清洗段的输送辊张紧有两个输送带，过渡段输送辊张紧有两个过渡带，输送带间间隔明显大于过渡带间隔。

气泡发生机构则基于多个设置于输送机构上部位置的气泡管及其对接的充气泵组成，气泡管和输送机构间留有太阳能多晶硅片可顺利穿过的间隔，气泡管上部位置则安装了面向间隔的气泡孔。水槽内部设置了与容纳腔互通的进水口、出水口[3]。

基于超声波清洗技术的太阳能多晶硅片清洗装置以处于水槽两侧端的机架可直接装配与生产线，经过输送机构可快速传输去磷硅玻璃加工与切割加工中的硅片于水槽中，以顺利实现连续传输于清洗，可避免使用机械爪与清洗篮单独装载硅片，通过输送机构便可直接传送硅片于水槽中完成超声波清洗，不仅使用便捷，且清洗效率较高。

2 实验准备

2.1 材 料

实验过程所需材料为：硅片、液压油、碳化硅、清洗液、正己烷、工业用凡士林。

2.2 仪 器

自制超声波清洗装置；表面接触角测试仪[4]；显微镜；表面粗糙度测试仪；TEM。

3 结果分析

3.1 超声波清洗装置处理后多晶硅片表面形貌

以超声波清洗装置对太阳能多晶硅片进行污染物清洗，以显微镜测试清洗前后多晶硅片表面形貌，具体如图3所示。

图3 超声波清洗装置处理前后多晶硅片表观形貌

由图3可知，被污染的多晶硅片表面存在各式各样污染物，以清洗液为辅助经超声波清洗装置，可高效清洗干净多晶硅片表面污染物，看不到任何残留污染物，色泽光亮均衡统一，说明相对于传统清洗装置，超声波清洗装置效果更为显著[5]。

3.2 超声波清洗装置处理后多晶硅片表面接触角

为深入探究分析太阳能多晶硅片清洗之后的洁净度，测试了超声波清洗装置处理前后被污染多晶硅片的表面接触角，结果具体如表1所示。

表1 超声波装置处理前后多晶硅片表面平均接触角

由表1可知，超声波清洗装置处理前，太阳能多晶硅片平均接触角较大，代表被污染硅片表面疏水性过强；超声波清洗装置处理后，太阳能多晶硅片平均接触角显著下降，说明基于超声波作用，可有效清洗疏水性污染物，且符合多晶硅片清洗洁净要求。

太阳能多晶硅片表面接触角是有效衡量硅片表面清洗干净程度的关键参数。在多晶硅片表面接触角控制在10°之内时，可评断此硅片表面足够洁净。为明确超声波清洗装置的最佳超声波清洗功率，对不同功率下太阳能多晶硅片清洗之后的平均接触角进行了测试，结果具体如表2所示(其他条件：时间5 min；温度60 ℃)。

表2 不同超声波功率清洗后多晶硅片表面平均接触角

由表2可知，随超声波功率增加，清洗之后的太阳能多晶硅片表面接触角呈现为先逐渐缩小，后有所增大的趋势。超声波属于纵波，基于正压与负压交替变化方式传输，负压状态下，清洗液内部生成微小真空洞穴，溶解于其中的气体便会快速进入空穴演变为气泡；正压状态下，空穴气泡受绝热压缩限制，被挤破的瞬间便会冲击四周，释放巨大能量，将太阳能多晶硅片表面污染物薄膜迅速击破，从而清洗干净。但是并非超声波功率越高，超声波清洗装置实际效果越好，在功率过大时，多晶硅片表面会生成许多无用气泡，组成声屏障，导致距离声源较远的声波强度下降，进而弱化清洗效果[6]。

3.3 超声波清洗装置处理后多晶硅片表面粗糙度

超声波清洗装置处理后太阳能多晶硅片的表面粗糙度具体如图4所示。

图4 超声波清洗装置处理后多晶硅片表面粗糙度

由图4可知，超声波清洗装置处理后多晶硅片的表面粗糙度约为0.43μm，说明超声波清洗装置进行硅片清洗，可获得更微小的表面粗糙度[7]。

为深层观察太阳能多晶硅片的表面清洗洁净度，以超声波清洗装置处理之后，吹干N2，冷却并立即利用TEM进行测试，结果具体如图5所示。

图5 超声波清洗装置处理后多晶硅片表面TEM图

由图5可知，基于超声波清洗装置处理后，太阳能多晶硅片的表面只包含硅原子，并未观察发现其他杂质元素污染，表面十分洁净[8]。

由此可知，太阳能多晶硅片超声波清洗装置，操作简洁便捷，清洗效果显著，清洗时间短暂，成本相对偏低，节能环保，环境污染较小。

4 结 论

综上所述，本文基于超声波清洗技术设计了太阳能多晶硅片清洗装置，其以处于水槽两侧端的机架可直接装配与生产线，经过输送机构可快速传输去磷硅玻璃加工与切割加工中的硅片于水槽中，以顺利实现连续传输于清洗，可避免使用机械爪与清洗篮单独装载硅片，通过输送机构便可直接传送硅片于水槽中完成超声波清洗，不仅使用便捷，且清洗效率较高。在此基础上，通过实验研究，得出结论：①被污染多晶硅片表面存在各式各样污染物，以清洗液为辅助经超声波清洗装置，可高效清洗干净多晶硅片表面污染物，看不到任何残留污染物，色泽光亮均衡统一，说明相对于传统清洗装置，超声波清洗装置效果更为显著；②超声波清洗装置处理前，太阳能多晶硅片平均接触角较大，代表被污染硅片表面疏水性过强；③超声波清洗装置处理后，太阳能多晶硅片平均接触角显著下降，说明基于超声波作用，可有效清洗疏水性污染物，且符合多晶硅片清洗洁净要求；④随超声波功率增加，清洗之后的太阳能多晶硅片表面接触角呈现为先逐渐缩小，后有所增大的趋势，说明并非超声波功率越高，超声波清洗装置实际效果越好，在功率过大时，多晶硅片表面会生成许多无用气泡，组成声屏障，导致距离声源较远的声波强度下降，进而弱化清洗效果；⑤超声波清洗装置处理后多晶硅片的表面粗糙度约为0.43μm，说明超声波清洗装置进行硅片清洗，可获得更微小的表面粗糙度；⑥基于超声波清洗装置处理后，太阳能多晶硅片的表面只包含硅原子，并未观察发现其他杂质元素污染，表面十分洁净。

总之，太阳能多晶硅片超声波清洗装置，操作简洁便捷，清洗效果显著，清洗时间短暂，成本相对偏低，节能环保，环境污染较小。