多晶硅太阳能电池制备工艺(论文)

多晶硅太阳能电池制备工艺(论文)（6篇）

1.多晶硅太阳能电池制备工艺(论文) 篇一

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单晶硅太阳能电池项目可行性

研究报告

单晶硅太阳能电池，是以高纯的单晶硅棒为原料的太阳能电池，是当前开发得最快的一种太阳能电池。它的构造和生产工艺已定型，产品已广泛用于空间和地面。

为了降低生产成本，地面应用的太阳能电池等采用太阳能级的单晶硅棒，材料性能指标有所放宽。有的也可使用半导体器件加工的头尾料和废次单晶硅材料，经过复拉制成太阳能电池专用的单晶硅棒。

将单晶硅棒切成片，一般片厚约0.3毫米。硅片经过抛磨、清洗等工序，制成待加工的原料硅片。加工太阳能电池片，首先要在硅片上掺杂和扩散，一般掺杂物为微量的硼、磷、锑等。扩散是在石英管制成的高温扩散炉中进行。这样就硅片上形成P>N结。然后采用丝网印刷法，精配好的银浆印在硅片上做成栅线，经过烧结，同时制成背电极，并在有栅线的面涂覆减反射源，以防大量的光子被光滑的硅片表面反射掉。因此，单晶硅太阳能电池的单体片就制成了。单体片经过抽查检验，即可按所需要的规格组装成太阳能电池组件（太阳能电池板），用串联和并联的方法构成一定的输出电压和电流。最后用框架和材料进行封装。用户根据系统设计，可将太阳能电池组件组成各种大小不同的太阳能电池方阵，亦称太阳能电池阵列。单晶硅太阳能电池的光电转换效率为15%左右，实验室成果也有20%以上的。

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构成及作用

1）钢化玻璃 其作用为保护发电主体（如电池片），透光其选用是有要求的，1.透光率必须高（一般91%以上）；2.超白钢化处理

2）EVA 用来粘结固定钢化玻璃和发电主体（如电池片），透明EVA材质的优劣直接影响到组件的寿命，暴露在空气中的EVA易老化发黄，从而影响组件的透光率，从而影响组件的发电质量除了EVA本身的质量外，组件厂家的层压工艺影响也是非常大的，如EVA胶连度不达标，EVA与钢化玻璃、背板粘接强度不够，都会引起EVA提早老化，影响组件寿命。

3）电池片 主要作用就是发电，发电主体市场上主流的是晶体硅太阳电池片、薄膜太阳能电池片，两者各有优劣晶体硅太阳能电池片,设备成本相对较低，但消耗及电池片成本很高，但光电转换效率也高，在室外阳光下发电比较适宜薄膜太阳能电池，相对设备成本较高，但消耗和电池成本 很低，但光电转化效率相对晶体硅电池片一半多点，但弱光效应非常好，在普通灯光下也能发电。如计算器上的太阳能电池

4）EVA 作用如上，主要粘结封装发电主体和背板

5）背板 作用，密封、绝缘、防水（一般都用TPT、TPE等材质必须耐老化，组件厂家都质保25年，钢化玻璃，铝合金一般都没问题，关键就在与背板和硅胶是否能达到要求。

附：发电主体（晶体硅电池片）

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我们知道，单片电池片的发电效率是非常低的，如一片156电池片的功率只有3W多，远远不能满足我们的需求，所以我们就多多片电池片串联起来，已达到我们所要求的功率，电流、电压，而被串联起来的电池片我们称之为电池串

6）铝合金 保护层压件，起一定的密封、支撑作用

7）接线盒 保护整个发电系统，起到电流中转站的作用，如果组件短路接线盒自动断开短路电池串，防止烧坏整个系统接线盒中最关键的是二极管的选用，根据组件内电池片的类型

不同，对应的二极管也不相同

8）硅胶 密封作用，用来密封组件与铝合金边框、组件与接线盒交界处有些公司使用双面胶条、泡棉来替代硅胶，国内普遍使用硅胶，工艺简单，方便，易操作，而且成本很低。

1.用户太阳能电源：（1）小型电源10-100W不等，用于边远无电地区如高原、海岛、牧区、边防哨所等军民生活用电，如照明、电视、收录机等；（2）3-5KW家庭屋顶并网发电系统；（3）光伏水泵：解决无电地区的深水井饮用、灌溉。

2.交通领域：如航标灯、交通/铁路信号灯、交通警示/标志灯、宇翔路灯、高空障碍灯、高速公路/铁路无线电话亭、无人值守道班供电等。

3.通讯/通信领域：太阳能无人值守微波中继站、光缆维护站、广播/通讯/寻呼电源系统；农村载波电话光伏系统、小型通信机、士报告用途：发改委立项、政府申请资金、政府申请土地、银行贷款、境内外融资等

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兵GPS供电等。

4.石油、海洋、气象领域：石油管道和水库闸门阴极保护太阳能电源系统、石油钻井平台生活及应急电源、海洋检测设备、气象/水文观测设备等。

5.家庭灯具电源：如庭院灯、路灯、手提灯、野营灯、登山灯、垂钓灯、黑光灯、割胶灯、节能灯等。

6.光伏电站：10KW-50MW独立光伏电站、风光（柴）互补电站、各种大型停车厂充电站等。

7.太阳能建筑：将太阳能发电与建筑材料相结合，使得未来的大型建筑实现电力自给，是未来一大发展方向。

8.其他领域包括：（1）与汽车配套：太阳能汽车/电动车、电池充电设备、汽车空调、换气扇、冷饮箱等；（2）太阳能制氢加燃料电池的再生发电系统；（3）海水淡化设备供电；（4）卫星、航天器、空间太阳能电站等。

另：提供国家发改委甲、乙、丙级资质

北京智博睿信息咨询有限公司 可行性研究报告大纲（具体可根据客户要求进行调整）第一章 研究概述 第一节 研究背景与目标 第二节 研究的内容

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第三节 研究方法 第四节 数据来源 第五节 研究结论

一、市场规模

二、竞争态势

三、行业投资的热点

四、行业项目投资的经济性 第二章 单晶硅太阳能电池项目总论 第一节 单晶硅太阳能电池项目背景

一、单晶硅太阳能电池项目名称

二、单晶硅太阳能电池项目承办单位

三、单晶硅太阳能电池项目主管部门

四、单晶硅太阳能电池项目拟建地区、地点

五、承担可行性研究工作的单位和法人代表

六、研究工作依据

七、研究工作概况 第二节 可行性研究结论

一、市场预测和项目规模

二、原材料、燃料和动力供应

三、选址

四、单晶硅太阳能电池项目工程技术方案

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五、环境保护

六、工厂组织及劳动定员

七、单晶硅太阳能电池项目建设进度

八、投资估算和资金筹措

九、单晶硅太阳能电池项目财务和经济评论

十、单晶硅太阳能电池项目综合评价结论 第三节 主要技术经济指标表 第四节 存在问题及建议

第三章 单晶硅太阳能电池项目投资环境分析 第一节 社会宏观环境分析

第二节 单晶硅太阳能电池项目相关政策分析

一、国家政策

二、单晶硅太阳能电池项目行业准入政策

三、单晶硅太阳能电池项目行业技术政策 第三节 地方政策

第四章 单晶硅太阳能电池项目背景和发展概况 第一节 单晶硅太阳能电池项目提出的背景

一、国家及单晶硅太阳能电池项目行业发展规划

二、单晶硅太阳能电池项目发起人和发起缘由

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第二节 单晶硅太阳能电池项目发展概况

一、已进行的调查研究单晶硅太阳能电池项目及其成果

二、试验试制工作情况

三、厂址初勘和初步测量工作情况

四、单晶硅太阳能电池项目建议书的编制、提出及审批过程第三节 单晶硅太阳能电池项目建设的必要性

一、现状与差距

二、发展趋势

三、单晶硅太阳能电池项目建设的必要性

四、单晶硅太阳能电池项目建设的可行性 第四节 投资的必要性

第五章 单晶硅太阳能电池项目行业竞争格局分析 第一节 国内生产企业现状

一、重点企业信息

二、企业地理分布

三、企业规模经济效应

四、企业从业人数

第二节 重点区域企业特点分析

一、华北区域

二、东北区域

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三、西北区域

四、华东区域

五、华南区域

六、西南区域

七、华中区域

第三节 企业竞争策略分析

一、产品竞争策略

二、价格竞争策略

三、渠道竞争策略

四、销售竞争策略

五、服务竞争策略

六、品牌竞争策略

第六章 单晶硅太阳能电池项目行业财务指标分析参考 第一节 单晶硅太阳能电池项目行业产销状况分析 第二节 单晶硅太阳能电池项目行业资产负债状况分析 第三节 单晶硅太阳能电池项目行业资产运营状况分析 第四节 单晶硅太阳能电池项目行业获利能力分析 第五节 单晶硅太阳能电池项目行业成本费用分析

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第七章 单晶硅太阳能电池项目行业市场分析与建设规模 第一节 市场调查

一、拟建 单晶硅太阳能电池项目产出物用途调查

二、产品现有生产能力调查

三、产品产量及销售量调查

四、替代产品调查

五、产品价格调查

六、国外市场调查

第二节 单晶硅太阳能电池项目行业市场预测

一、国内市场需求预测

二、产品出口或进口替代分析

三、价格预测

第三节 单晶硅太阳能电池项目行业市场推销战略

一、推销方式

二、推销措施

三、促销价格制度

四、产品销售费用预测

第四节 单晶硅太阳能电池项目产品方案和建设规模

一、产品方案

二、建设规模

第五节 单晶硅太阳能电池项目产品销售收入预测

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第八章 单晶硅太阳能电池项目建设条件与选址方案 第一节 资源和原材料

一、资源评述

二、原材料及主要辅助材料供应

三、需要作生产试验的原料

第二节 建设地区的选择

一、自然条件

二、基础设施

三、社会经济条件

四、其它应考虑的因素 第三节 厂址选择

一、厂址多方案比较

二、厂址推荐方案

第九章 单晶硅太阳能电池项目应用技术方案 第一节 单晶硅太阳能电池项目组成 第二节 生产技术方案

一、产品标准

二、生产方法

三、技术参数和工艺流程

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四、主要工艺设备选择

五、主要原材料、燃料、动力消耗指标

六、主要生产车间布置方案 第三节 总平面布置和运输

一、总平面布置原则

二、厂内外运输方案

三、仓储方案

四、占地面积及分析 第四节 土建工程

一、主要建、构筑物的建筑特征与结构设计

二、特殊基础工程的设计

三、建筑材料

四、土建工程造价估算 第五节 其他工程

一、给排水工程

二、动力及公用工程

三、地震设防

四、生活福利设施

第十章 单晶硅太阳能电池项目环境保护与劳动安全 第一节 建设地区的环境现状

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一、单晶硅太阳能电池项目的地理位置

二、地形、地貌、土壤、地质、水文、气象

三、矿藏、森林、草原、水产和野生动物、植物、农作物

四、自然保护区、风景游览区、名胜古迹、以及重要政治文化设施

五、现有工矿企业分布情况

六、生活居住区分布情况和人口密度、健康状况、地方病等情况

七、大气、地下水、地面水的环境质量状况

八、交通运输情况

九、其他社会经济活动污染、破坏现状资料

十、环保、消防、职业安全卫生和节能

第二节 单晶硅太阳能电池项目主要污染源和污染物

一、主要污染源

二、主要污染物

第三节 单晶硅太阳能电池项目拟采用的环境保护标准 第四节 治理环境的方案

一、单晶硅太阳能电池项目对周围地区的地质、水文、气象可能产生的影响

二、单晶硅太阳能电池项目对周围地区自然资源可能产生的影响

三、单晶硅太阳能电池项目对周围自然保护区、风景游览区等报告用途：发改委立项、政府申请资金、政府申请土地、银行贷款、境内外融资等

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可能产生的影响

四、各种污染物最终排放的治理措施和综合利用方案

五、绿化措施，包括防护地带的防护林和建设区域的绿化 第五节 环境监测制度的建议 第六节 环境保护投资估算 第七节 环境影响评论结论 第八节 劳动保护与安全卫生

一、生产过程中职业危害因素的分析

二、职业安全卫生主要设施

三、劳动安全与职业卫生机构

四、消防措施和设施方案建议

第十一章 企业组织和劳动定员 第一节 企业组织

一、企业组织形式

二、企业工作制度

第二节 劳动定员和人员培训

一、劳动定员

二、年总工资和职工年平均工资估算

三、人员培训及费用估算

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第十二章 单晶硅太阳能电池项目实施进度安排 第一节 单晶硅太阳能电池项目实施的各阶段

一、建立 单晶硅太阳能电池项目实施管理机构

二、资金筹集安排

三、技术获得与转让

四、勘察设计和设备订货

五、施工准备

六、施工和生产准备

七、竣工验收

第二节 单晶硅太阳能电池项目实施进度表

一、横道图

二、网络图

第三节 单晶硅太阳能电池项目实施费用

一、建设单位管理费

二、生产筹备费

三、生产职工培训费

四、办公和生活家具购置费

五、勘察设计费

六、其它应支付的费用

第十三章 投资估算与资金筹措

第一节 单晶硅太阳能电池项目总投资估算

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一、固定资产投资总额

二、流动资金估算 第二节 资金筹措

一、资金来源

二、单晶硅太阳能电池项目筹资方案 第三节 投资使用计划

一、投资使用计划

二、借款偿还计划

第十四章 财务与敏感性分析 第一节 生产成本和销售收入估算

一、生产总成本估算

二、单位成本

三、销售收入估算 第二节 财务评价 第三节 国民经济评价 第四节 不确定性分析

第五节 社会效益和社会影响分析

一、单晶硅太阳能电池项目对国家政治和社会稳定的影响

二、单晶硅太阳能电池项目与当地科技、文化发展水平的相互适应性

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三、单晶硅太阳能电池项目与当地基础设施发展水平的相互适应性

四、单晶硅太阳能电池项目与当地居民的宗教、民族习惯的相互适应性

五、单晶硅太阳能电池项目对合理利用自然资源的影响

六、单晶硅太阳能电池项目的国防效益或影响

七、对保护环境和生态平衡的影响

第十五章 单晶硅太阳能电池项目不确定性及风险分析 第一节 建设和开发风险 第二节 市场和运营风险 第三节 金融风险 第四节 政治风险 第五节 法律风险 第六节 环境风险 第七节 技术风险

第十六章 单晶硅太阳能电池项目行业发展趋势分析

第一节 我国单晶硅太阳能电池项目行业发展的主要问题及对策研究

一、我国单晶硅太阳能电池项目行业发展的主要问题

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二、促进单晶硅太阳能电池项目行业发展的对策 第二节 我国单晶硅太阳能电池项目行业发展趋势分析 第三节 单晶硅太阳能电池项目行业投资机会及发展战略分析

一、单晶硅太阳能电池项目行业投资机会分析

二、单晶硅太阳能电池项目行业总体发展战略分析 第四节 我国 单晶硅太阳能电池项目行业投资风险

一、政策风险

二、环境因素

三、市场风险

四、单晶硅太阳能电池项目行业投资风险的规避及对策

第十七章 单晶硅太阳能电池项目可行性研究结论与建议 第一节 结论与建议

一、对推荐的拟建方案的结论性意见

二、对主要的对比方案进行说明

三、对可行性研究中尚未解决的主要问题提出解决办法和建议

四、对应修改的主要问题进行说明，提出修改意见

五、对不可行的项目，提出不可行的主要问题及处理意见

六、可行性研究中主要争议问题的结论

第二节 我国单晶硅太阳能电池项目行业未来发展及投资可行性结论及建议

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第十八章 财务报表 第一节 资产负债表 第二节 投资受益分析表 第三节 损益表

第十九章 单晶硅太阳能电池项目投资可行性报告附件 1、单晶硅太阳能电池项目位置图 2、主要工艺技术流程图 3、主办单位近5 年的财务报表、单晶硅太阳能电池项目所需成果转让协议及成果鉴定 5、单晶硅太阳能电池项目总平面布置图 6、主要土建工程的平面图 7、主要技术经济指标摘要表 8、单晶硅太阳能电池项目投资概算表 9、经济评价类基本报表与辅助报表 10、现金流量表 11、现金流量表 12、损益表、资金来源与运用表 14、资产负债表

报告用途：发改委立项、政府申请资金、政府申请土地、银行贷款、境内外融资等

北京智博睿信息咨询有限公司 、财务外汇平衡表 16、固定资产投资估算表 17、流动资金估算表 18、投资计划与资金筹措表 19、单位产品生产成本估算表 20、固定资产折旧费估算表 21、总成本费用估算表、产品销售（营业）收入和销售税金及附加估算表

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2.多晶硅太阳能电池制备工艺(论文) 篇二

太阳电池的表面反射率是影响太阳电池光电转换效率的重要因素之一。在太阳电池表面织构化(即绒面)可以有效降低太阳电池的表面反射率。入射光在电池表面多次反射延长了光程,增加了对光子的吸收。目前常用的制绒工艺有机械刻槽、激光刻槽、等离子刻蚀 (RIE)和各向同性腐蚀,其中各向同性腐蚀法因成本低且适宜于进行大规模生产,已成为当前的主流多晶硅表面绒面技术[1,2,3,4]。

表面绒面的目的是为了减少光反射,有效增加光的利用率。多晶硅表面绒面关系到其光学性能的优劣,对后续太阳电池转换效率的提高有着重要的影响,是一项非常重要的基础性工作。由于工艺中各参数间的复杂耦合关系,使最佳工艺参数呈现出离散、高维数、多约束的特点,即多晶硅绒面质量与工艺参数间的关系是一个多峰的空间曲面,在此曲面上求解相应于最佳制绒工艺的极值点,这本身是一项难度很大的工作。传统方法主要根据经验和试制效果对比来确定参数,费时费力且结果具有很大的不确定性。为此从理论上展开寻找最佳工艺参数的研究是很有意义的。

1 工艺参数寻优方法研究

工艺参数寻优的研究本质上是最佳极值点的求取。现代数学可提供的方法不少,如传统爬山法中的梯度法和Hessian法,它们均从一个初始点开始,通过对最速下降方向的分析,从当前点开始不断地向极优点移动,但由于制绒工艺参数与最终效果之间是非连续、非处处可微及多峰的函数关系,所以无法使用基于微分的极值求取方法。枚举法(包括动态规划法、隐枚举法和完全枚举法)由于要遍历整个解空间,在实际工作中也不可能做到。启发式搜索是一类针对复杂优化问题的有效方法,具有独特的求解模式和不断优化个体的运行方式,包括模拟退火算法(SAA)和遗传算法等,它们并不需要对问题本身有精确的了解,只要能明确搜索方向,就能从初始状态逐渐向最优状态迁移,工作过程有天然并行性。

BP神经网络是常用的一种人工神经网络,广泛应用于模式识别、故障诊断和函数逼近等领域[5,6,7]。在深入研究BP神经网络与GA的基础上,提出以下硅片表面酸腐蚀制绒工艺参数求解方案:化学制备中应用了3种试剂,且以腐蚀速度和太阳光反射率为评价标准,在各试剂可能的取值范围内利用正交试验设计法来充分了解各因素的不同水平对制备结果的影响,必要时对重点区域再增加若干组试验,以充分揭示输入和输出之间的细节关系;利用BP非线性映射功能实现化学腐蚀参数到太阳电池绒面效果的非线性映射,最后通过GA 进行工艺参数的全局自动寻优。

正交试验设计是研究多因素多水平的一种主要试验设计方法。它根据正交特性从全面试验中挑选出部分有代表性的点进行试验,由于这些点具备了“均匀分散,齐整可比”的特点,因而可以用来进一步分析各因素在不同水平时的作用效果,是一种高效、经济的试验设计方法。

在正交试验的基础上, 利用多层神经元的BP神经网络,通过恰当的传递函数和阈值完成从输入参数到性能指标的拟合,即利用神经网络的非线性映射功能实现现实试验的虚拟。为了达到这一目的,首先要保证样本数据的全面性和完整性;BP网络是目前应用最多的一种网络,已经广泛应用于机械、电气、金融等众多领域[5,6,7]。设计时要综合比较不同的网络结构、传递函数的效果,通过有效的方法对网络进行优化。

GA设计是工作的重点。选择、交叉和变异是它的3大运算方法,模式定理和积木块假设虽然从理论上证明了GA具有全局寻优的能力[8],但参数不当容易导致早熟和欺骗问题,为此在具体操作过程中必须采取适当措施,如比较不同的变异系数、利用不同的交叉方法和子代生成方式等,以达到既有较快的全局收敛速度,又能防止收敛于局部极值点。

2 试验设计和分析

2.1 试验材料及制备方法

试验所用的硅片为江西赛维LDK公司生产的硼掺杂P型多晶硅片,硅片面积为3cm×3cm,电阻率为0.5~3.0Ω/cm, 厚度为220μm 左右,腐蚀液为HF(40%)(均为质量分数,下同),混合溶液为HNO3(70%),缓和剂为NaH2PO4·2H2O溶液。

硅片在不同配方的HF(40%)和HNO3(70%)混合溶液中进行腐蚀,为了控制反应速度,采用NaH2PO4·2H2O溶液进行稀释。反应在室温下进行,反应结束后立即用去离子水冲洗硅片,再在碱液中清洗,然后用去离子水冲洗,最后在N2气氛中烘干。采用扫描电镜(SEM) 分析表面织构的形貌,利用紫外分光光度计检测其反射率。

2.2 正交试验方案及结果

对于采用各向同性腐蚀法制备的多晶硅太阳电池绒面,影响绒面形貌和反射率的因素有很多,如腐蚀液和缓和剂的配方、反应时间、腐蚀速度和反应温度等。为了适应工业大规模生产,通常要求控制反应速度约为2μm/min,反应时间约为2min,蚀刻深度为4~5μm,从而使电池的性能达到最优;另外,还需要通过温度控制系统维持反应温度恒定不变,以保证硅片绒面质量的稳定性。因此在本正交试验设计方案中重点考察了不同配方的HF腐蚀液、HNO3混合溶液和NaH2PO4·2H2O稀释液对多晶硅表面形貌和反射率的影响。为了避免V(HF)∶V(HNO3)有重复比例,选择3种不同试验的因素比例,设计3因素3水平正交试验,其中9组试验参数的制绒效果数据如表1所示。

图1中原始多晶硅片的表面反射率约为35%,经腐蚀后,适当控制HF与HNO3之间的比例,硅片绒面的反射率都有所降低,最低只有16%左右,表明采用各向同性腐蚀法确实能降低多晶硅表面的反射率。从表1还可以看出,试样1#的腐蚀速度最高,其反射率也明显偏高,为32%;在富HNO3条件下,硅片表面接近于镜面,反射率较高,约为38%。由此可见,不同参数的制备效果相差明显。

2.3 BP神经网络的生成

利用试验数据构建了以下的3层BP神经网络:3个输入分别为混合溶液HNO3、腐蚀液HF、缓和剂NaH2PO4·2H2O,2个输出为腐蚀速度和反射率,隐含层有15个神经元,它们的传递函数为tansig,输出层神经元传递函数为purline,利用动态函数tansigtrainlm训练网络,学习函数为learndm,性能函数为mse,均方差最大允许误差为0.0001。训练前首先将所有输入输出进行线性归一化,归一化范围为0.1~1.0,由于对训练数据进行了归一化处理,使网络的拟合性能得到了明显提高,训练好的神经网络预测均方误差为0.00002,如图2所示。

2.4 GA全局寻优方法

为了使GA能够主动完成全局寻优的任务,需要确定其基因的编码方式(如整型、实型或二进制)和适应度函数,只有解决了这些问题,才能通过选择、交叉和变异等遗传操作推动种群向期望的目标迁移。

(1)编码方式

采用实数形式的编码,具体做法是将混合溶液、腐蚀液、缓和剂依次排列构成一个染色体,则染色体的表达形式为 [b1 b2 b3],其中每个参数称为基因,各基因都有上限bhig和下限blow,以此作为约束条件,通过随机生成函数可得到符合要求的基因初始值:

bi=blow+(bhig-blow)*rand(0,1)

每一个染色体就是种群中的一个个体,代表一组可能的配方组合,从而将最佳配比的求解转变为最佳个体的选择。

(2)适应度函数

适应度函数值是进行染色体取舍的依据[8]。选用误差平方和作为性能指标函数,该值越小说明个体越优,进入下一代的可能性越大。在大量试验的基础上,确定以下期望制备值:腐蚀速度F0=2.0μm/min、反射率B0=16%。为了保证寻优后的参数结果位于实际变化范围内,在适应度函数中还引入了罚函数P,当所选参数值不理想时,通过P值对适应度函数的终值进行调整。

(3)遗传操作

GA能实现启发式搜索的原因在于它可以连续地按规则进行个体的选择、交叉和变异操作,通过这些操作可以由父辈产生子辈,这也正是GA能不断进化的原因和动力[9,10],这3种方法得到的后代分别为优良子辈、交叉子辈和变异子辈。试验中选择的种群大小为200,迭代次数为500,交叉概率取0.7391,变异率为0.01, 每代中最优2个个体直接进入下一代,其余按轮盘赌方式进行选择,在进化终止条件满足后分析所得结果,图3为GA搜索过程中适应度函数的变化。由图3可见,刚开始时各个体的适应度函数值相差很大,但在进化后期则迅速地趋同,说明此时可以、也应该停止进化操作。

表2为一部分进化后的参数数值。从表2可以看出, 经过500代的进化,种群从初始的随机状态开始,按照适应度函数的指引,经过选择、变异、交叉等操作,各染色体中的基因明显得到了优化,最后出现了大量的相同个体,说明种群进化过程基本完成。

研究表明,在本试验条件下,获得的最佳混合液配方参数为V(HF)∶V(HNO3)∶V(NaH2PO4·2H2O)=9∶1∶7。在该工艺条件下制备的硅片绒面腐蚀坑较均匀,反射率约为17%,腐蚀速度约为2μm/min,适合大规模生产。

3 结论

在多晶硅太阳电池制备工艺中,获得最佳多晶硅表面绒面工艺参数是一个较难解决的问题,需要投入大量的人力和物力。

采用其中的GA-BP算法,巧妙合理地将神经网络的误差函数与适应度函数结合起来,构建了优化目标函数,同时优化BP神经网络的拓扑结构、权值和阈值,并研究了一套先进的编码技术和进化策略,获得了良好的优化解。试验进一步验证了将结合ANN的GA用于求取酸腐蚀绒面工艺是可行的。

本研究将神经网络与遗传算法相结合的优化方法运用于太阳电池领域是一次新的尝试,并取得了满意的效果。

参考文献

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3.多晶硅太阳能电池制备工艺(论文) 篇三

有机/无机杂化钙钛矿太阳能电池(Perovskite solar cell,PSC)具有能量转换效率高[1,2,3,4]和加工成本低[5]的优点,近年来受到广泛关注,被Science杂志列为2013年度十大科学突破之一[6]。有机/无机杂化的钙钛矿材料的一般化学式为ABX3(其中A为有机阳离子,B为第Ⅵ主族元素,常见为Pb元素,X为卤素)[7],其作为太阳能电池光吸收层的优势在于具有优良的双极性载流子输运性能,并且随着元素的替换或引入,其能隙在一定范围内可调节,并同时保持着稳定的面心立方结构[8]。目前钙钛矿吸收层的制备方法主要有一步溶液法[4,9,10,11]、连续沉积法[2,12,13]、气相蒸发法[1,14]等,其中,一步溶液法工艺简单易行,应用十分广泛。现阶段,由于含金属Pb的钙钛矿吸收层消光系数较高、带隙宽度合适,对其研究最为深入,但由于Pb对环境危害较大,如用无害元素替代Pb,将会对环境更加友好。近年来,采用Sn取代Pb制备锡钙钛矿太阳电池薄膜的研究日趋增多[15,16,17,18]。这对于探索制备无铅钙钛矿太阳电池具有重要的意义。

本实验采用Sn替代Pb,以SnX2(X为卤素元素,I、Cl或Br)和CH3NH3I为原料,通过一步溶液法制备无铅钙钛矿太阳电池薄膜,探究了制备工艺(前驱体溶液浓度和退火温度)以及Br-和Cl-的掺杂对锡钙钛矿太阳电池薄膜性能的影响。

1 实验

1.1 甲基碘化铵(CH3NH3I,MAI)的合成

将浓度为57.0%的HI溶液与浓度为40.0%的CH3NH2(甲胺)溶液按照体积比1∶2.4混合后,置于冰浴环境下磁力搅拌2h使其充分反应,然后将溶液置于旋转蒸发仪中(RE-52A,上海亚荣生化玻璃厂),设定旋转蒸发的温度为70℃,直至得到白色晶体,再将白色晶体置于温度为100℃的真空干燥箱中保温24h,即得到干燥的甲基碘化铵(MAI)白色晶体。

1.2 TiO2多孔支架层制备

将FTO导电玻璃先后用蒸馏水、酒精和丙酮超声清洗10min,然后再在导电玻璃上面旋涂TiO2多孔支架层,TiO2浆料采购于七色光科技公司。实验中所用转速为3500r/min,旋涂时间为60s,随后将旋涂好支架层的玻璃片置于加热板上,在500℃下保持30min,使TiO2结晶。

1.3 Sn钙钛矿薄膜制备

称取一定量的卤化锡(SnX2)与甲基碘化铵溶于DMF(N,N-二甲基甲,C3H7NO)中,混合配制成一定浓度的前驱体溶液,将配制好的前驱体溶液置于超声振荡仪中超声振荡10min以促进反应物的充分溶解和反应。本实验配制了5种不同成分的钙钛矿前驱体溶液(CH3NH3SnI3、CH3NH3SnIBr2、CH3NH3SnICl2、CH3NH3SnI2Br、CH3NH3-SnI2Cl),SnX2与MAI的物质的量比如表1所示。

将前驱体溶液旋涂于TiO2多孔支架层上,实验中所用的转速为1000r/min,旋涂时间为60s,然后将旋涂好前驱体溶液的玻璃片置于加热板上,在100℃下保持5min。在此过程中,多孔支架上的钙钛矿薄膜逐渐变黑。

1.4 样品形貌表征和性能测试

样品物相表征和结构分析采用Smarlab型X射线衍射仪,测试参数:功率4kW,电压40kV,电流40mA,扫描速度10(°)/min,扫描范围10~90°。用sirion场发射扫描电镜观察薄膜的形貌,加速电压20kV。薄膜的紫外-可见光透射率光谱及禁带宽度由v80vertex傅里叶红外光谱仪测定。

2 结果与讨论

2.1 甲基碘化铵的XRD分析

图1是合成的甲基碘化铵(MAI)白色晶体的XRD谱图。由图1可知,绝大部分的衍射峰与标准PDF卡片相对应,说明MAI已被成功合成,且其结晶性能良好。

2.2 制备工艺对Sn钙钛矿薄膜的影响

薄膜的截面如图2(a)所示,图中(1)、(2)、(3)层分别为FTO导电层、TiO2多孔支架层和钙钛矿层。由图2(a)可知钙钛矿薄膜的厚度约为500nm。对薄膜截面进行从玻璃基底与FTO的分界面至钙钛矿层外表面(箭头方向)的3μm范围内的EDS线扫描,I、Sn、Ti三种元素在薄膜截面的分布如图2(b)所示。由图2(b)可以明显看出,Ti元素在0.5~2.5μm范围内含量较高,这与TiO2厚度在截面中所占的比例相吻合。由于FTO导电层中掺杂了SnO2,Sn元素在FTO层的厚度范围(0~0.5μm)内即呈现较高的强度,沿图2(a)中箭头方向,Sn的强度整体上有所减弱,这时所检测到的Sn来自于TiO2多孔支架层以及钙钛矿层。I元素在TiO2支架层以及钙钛矿层(特别是在钙钛矿层)的厚度范围(0.5~3.0μm)内强度较高,而在FTO层的厚度范围内强度非常弱,这表明CH3NH3SnI3已渗入TiO2支架层并且在钙钛矿层聚集了更多的I元素。

图2薄膜截面SEM图(a)和EDS线扫描曲线(b)Fig.2 SEM image(a)and EDS line scan curves(b)of cross-section of thin film

2.2.1 前驱体溶液浓度的影响

一般情况下,前驱体溶液的浓度越高,薄膜与基体的结合越致密,钙钛矿在支架层上面的覆盖率越高。图3是用不同浓度的前驱体溶液制备的钙钛矿薄膜的SEM图。如图3(a)所示,当CH3NH3SnI3前驱体溶液浓度为20.0%时,薄膜的表面覆盖不全,十分粗糙且表面存在较多的孔洞。这样不仅会减少光的吸收,还会增加电子传输层TiO2与空穴传输材料(Hole transporting materials,HTMs)的接触面积,从而导致TiO2体内的电子与HTMs中的空穴直接复合而产生短路电流。当浓度增加至25.0%时,薄膜表面的孔洞减少很多,完整性提高,这说明较高浓度的前驱体溶液易于在基体上形成钙钛矿覆盖层。当浓度为30.0%时,薄膜表面晶粒完整性较好,覆盖程度较高,该薄膜与秦亮等[19]制备的CH3NH3SnI3钙钛矿薄膜具有相同范围的晶粒度。当浓度进一步升高至35.0%时,薄膜更为致密,但薄膜表面形成一些较大颗粒钙钛矿,晶粒尺寸分布不均匀,使得薄膜表面较为粗糙,这将不利于旋涂HTMs时对其的完整覆盖,从而导致背电极与钙钛矿的直接接触,影响电池性能。

图4是用不同浓度CH3NH3SnI3前驱体溶液制备的钙钛矿薄膜的紫外可见光吸收率曲线。如图4所示,随着前驱体溶液浓度的升高,制备的钙钛矿薄膜在可见光范围内的吸收率从最高92.0%增加至99.0%左右,前驱体溶液浓度越大,薄膜吸光性能越好。

2.2.2 退火温度的影响

退火温度影响溶剂的挥发速率,从而影响薄膜的成核与结晶过程。图5是不同退火温度所制备的钙钛矿薄膜的SEM图。如图5(a)所示,当退火温度为70℃时,由于退火温度较低,溶剂挥发速率慢,溶液的过饱和度低,成核速率低,形成的晶核较少,其生长空间大,因而导致晶粒较大,且钙钛矿表面晶体之间存在较大的空隙。当退火温度升高至100℃时,如图5(b)所示,薄膜表面的钙钛矿晶粒变得细小,同时晶粒之间的空隙也减小。这是因为温度升高,DMF挥发速率增加,溶液的过饱和度增加,成核速率增加,形成的晶核较多,从而导致晶粒的生长空间变小,所以温度越高晶粒越细小。当退火温度继续升高至130℃时,如图5(c)所示,薄膜表面晶粒更为细小,但与在100℃下经过退火处理的薄膜表面相比变化不显著。当退火温度为160℃时,如图5(d)所示,薄膜表面出现较大的变化,小的晶粒聚合在一起,出现许多大孔洞,表面覆盖率很低,这可能是由于过热导致钙钛矿晶体发生热分解而形成[20]。由此可知,CH3NH3SnI3钙钛矿薄膜退火处理的适宜温度范围比较宽,综合节能等因素考虑,最佳热处理温度为100℃。

2.3 不同成分钙钛矿薄膜制备

图6是不同成分的钙钛矿薄膜的SEM形貌图。4种成分的钙钛矿薄膜均是在100℃下经过5min退火而得到。与CH3NH3SnI3薄膜SEM图(见图3)相比,Br-与Cl-的引入均会影响钙钛矿薄膜的表面形貌。如图6(a)、(b)所示,薄膜的形貌较好,晶粒均一,但其表面不够平整。而当Br-或Cl-引入过多时,过多的Br-与Cl-可能在结晶的过程中产生某些中间产物,从而减慢了钙钛矿的结晶速率,并且由于Br-、Cl-与I-存在较大的原子尺寸差别,从而导致晶格发生畸变,结晶过程也会延长,退火处理的时间也需要相应延长。所以退火温度为100℃时,在相对较短的5min退火时间内,如图6(c)所示,CH3NH3SnIBr2薄膜的晶粒大小不均一。而图6(d)中,由于退火时间较短,CH3NH3SnICl2薄膜的晶粒较粗大,且薄膜表面不够平整和致密。图6(d)薄膜上面出现大裂纹是由测SEM时的高电压所导致的薄膜开裂。

图7是4种不同成分薄膜的EDS图,可以定性地看出4种薄膜所含有的元素。对比图7(a)、(c)以及图(b)、(d)可知,添加过量的Br-和Cl-后,薄膜中Br元素、Cl元素的相对含量有明显提升。由于扫描电压为20kV,故射线会穿透到钙钛矿薄膜的TiO2多孔支架层中,导致能谱图中Ti的含量非常高。

图8是5种成分的钙钛矿薄膜的XRD谱图。由图8可见所制备的5种薄膜均具有钙钛矿结构,表现出良好的结晶性能,并且具有主导的单斜晶结构的有序晶体取向[21]。在图8(a)中,2θ为14.67°、29.59°、42.51°、45.02°和61.57°的衍射峰分别对应(110)、(220)、(310)、(224)和(314)晶面,与文献[22]中的钙钛矿结构CH3NH3Pb(I1-xBrx)3的峰相吻合。26.52°处的峰在文献[23]中CH3NH3PbIxCl3-x的峰中出现过。这表明所制备的CH3NH3SnI3具有钙钛矿结构。2θ为12.66°和51.59°的峰分别对应于SnI2PDF卡片中的(001)、(312)晶面,由此推断可能存在SnI2。2θ为33.23°和65.58°的峰分别对应于SnO2PDF卡片中的(101)、(301)晶面,由此推断可能存在SnO2。其中SnI2的存在可能是由于原材料未反应完全或CH3NH3SnI3有部分分解为SnI2,SnO2可能是CH3NH3SnI3分解产物氧化形成的。然而,在其他成分中只发现SnI2而并无SnO2,说明Br-、Cl-的掺杂在一定程度上提高了晶体的稳定性。图8中的(b)、(c)、(d)、(e)衍射峰均向高角度偏移,这是由于Br-与Cl-的半径均小于I-的半径,使得结晶获得的晶体的晶格常数相对减小,衍射峰即向高角度偏移。图8中的谱线(b)与(c)表明,随着Br-的掺杂量增加,衍射峰向高角度偏移。对比图8中的谱线(b)和(e)可知,钙钛矿晶体的衍射峰相对减少,同时峰强减弱,这表明过多Br-、Cl-的引入不利于CH3NH3SnI3的结晶成膜。

光学带隙与光吸收有着直接关系,根据样品的吸光度光谱,利用Tauc方程外推法计算了5种成分薄膜的禁带宽度。根据半导体理论,钙钛矿薄膜为直接带隙半导体,因此有

式中:α是光吸收系数,A是吸光度,d是薄膜厚度,h是普朗克常量,4.13566743×10-15eV·s,c是光速,2.99792458×108m/s,λ′是以纳米为单位时波长的数值,ν是频率。根据式(1)、式(2),以hν为横坐标,(αhν)2为纵坐标,作出(αhν)2~hν的关系曲线,该曲线的切线与横坐标的交点即为薄膜的禁带宽度。

图9是不同成分的钙钛矿薄膜的(αhν)2~hν关系曲线。由图9(a)可见,CH3NH3SnI3成分的薄膜禁带宽度最小,为1.44eV。掺杂部分Br-与Cl-后,如图9(b)、(c)所示,CH3NH3SnI2Br和CH3NH3SnI2Cl钙钛矿薄膜的禁带宽度增大,分别为1.75eV与1.68eV,这是由于Br-与Cl-的引入导致钙钛矿结构的晶格变小,并且电离度增加,从而导致带隙变宽。而当Br-与Cl-的掺杂量增多,如图9(d)、(e)所示,CH3NH3SnIBr2和CH3NH3SnICl2钙钛矿薄膜的禁带宽度进一步增大,分别为2.08eV与2.88eV。

图10是不同成分钙钛矿薄膜的紫外可见光吸收率曲线。由图10可知,与CH3NH3SnI3成分的钙钛矿薄膜相比,掺杂Br-与Cl-均减弱了钙钛矿薄膜的吸收率,同时随着掺杂量的增加,其在可见光范围内的吸收率大幅度降低。与图9(e)相对应,CH3NH3SnICl2钙钛矿薄膜的禁带宽度最大为2.88eV,这也就导致了其在可见光范围内吸收很少。

3 结论

4.多晶硅太阳能电池制备工艺(论文) 篇四

静电纺丝制备的纳米纤维膜具有比表面积大、孔隙率高、孔径小和吸附力强等特点,因而在很多领域具有较大的应用前景,如生物医学领域、过滤防护、传感材料、自清洁、催化载体、食品工程、复合材料增强、光电和能源等[2,3,4,5,6],使得电纺纳米纤维的应用领域越来越广。

PVDF是仅次于聚四氟乙烯的第二大氟材料,PVDF优良的成膜性能、较高的热稳定性和化学稳定性。且—C—F具有很强的吸电子能力,使得PVDF的抗电化学氧化能力也较强[7]。同时,PVDF还具有较高的介电常数和较低的玻璃化转变温度,利于锂盐的解离,提高溶胀在聚合物内的电解液的载流子数目。为此,优良的耐热性、化学稳定性,高机械强度和韧性、高耐磨性、非电子导体等特征,使PVDF成为制备锂电池隔膜最具优势的聚合物之一。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

聚偏氟乙烯(PVDF,2022锂电池级),浙江孚诺林化工新材料有限公司;冰乙酸(分析纯),成都科龙化学试剂厂;隔膜(PP/PE/PP三层),Celgard公司;多功能磁力搅拌器(HJ-5型),常州普天仪器制造有限公司;静电纺丝设备(FM-1107型),北京富友马科技有限公司;扫描电子显微镜(VEGE3型),捷克TESCAN公司;电子天平(JM-A6002型),余姚纪铭称重校验设备有限公司。

1.2 实验方法

称一定质量的PVDF溶于冰乙酸中,用玻璃棒搅拌使PVDF溶解,并将溶解的PVDF放置于磁力搅拌器上搅拌14h,配制成均匀混合的静电纺丝溶液。待纺丝溶液冷却至室温,用注射器取适量的纺丝液并将其安装在注射泵上,接好针头(采用平口针头,直径为0.7mm),把高压静电发生器的正极夹在针头上,负极与接收屏相连。设置参数,纺丝约1h,即制得PVDF锂离子电池隔膜。

(1)设置纺丝速率为0.0009mm/s,纺丝电压为25kV,纺丝距离为20cm。分别配置浓度为16%(wt,质量分数,下同)、18%、20%、22%和24%的溶液进行静电纺丝。

(2)通过实验(1)确定静电纺丝制备PVDF隔膜的最佳纺丝浓度,设置纺丝速率为0.0009mm/s,纺丝距离为20cm,分别在18、20、22、25和28kV下进行静电纺丝。

(3)通过实验(1)和(2)确定静电纺丝法制备PVDF隔膜的纺丝浓度和最佳纺丝电压下,设置纺丝距离为20cm,纺丝速率为0.0009、0.0007和0.0005mm/s,进行静电纺丝。

2 结果与讨论

2.1 最佳纺丝浓度的确定

[(a)16%;(b)18%;(c)20%;(d)22%;(e)24%;a1,b1,c1,d1,e1:X2000;a2,b2,c2,d2,e2:X5000]

纺丝溶液的浓度决定了纺丝液的黏度和表面张力,对纺丝纤维的形貌有很大的影响,是静电纺丝过程中最为重要的因素之一。不同放大倍数下不同纺丝浓度制备的PVDF锂电池隔膜用SEM表征,见图1。

如图1所示,16%浓度的静电纺丝液所制备的PVDF隔膜[图1(a)]由于纺丝浓度低、溶液黏度很低、表面张力较小,纺丝液在电场力的作用下直接以喷射的方式运动到接收屏上,纺丝液还来不及拉伸成纤维,因此具有很多串珠结构。浓度20%[图1(c)]、22%[图1(d)]和24%[图1(e)]的静电纺丝溶所制备的PVDF锂电池隔膜,黏度较大,溶液的内聚力较大,电场力需要克服的表面张力变大,纺丝射流的分裂能力减弱,导致形成串珠状,且直径较大。浓度18%的静电纺丝液所制备的PVDF隔膜[图1(b)],直径均匀,串珠现象很少。因此,将浓度18%的纺丝溶液作为静电纺丝的最佳纺丝溶液。

2.2 最佳纺丝电压的确定

静电纺丝的实质就是纺丝液在高压电场中受到电场力与其表面张力相互作用的结果,因此纺丝电压对纤维的成形和纤维直径有着重要的影响。不同放大倍数下不同纺丝电压制备的PVDF锂电池隔膜用SEM表征,见图2。

[(a)18kV;(b)20kV;(c)22kV;(d)25kV;(e)28kV;a1,b1,c1,d1,e1:X2000;a2,b2,c2,d2,e2:X5000]

如图2所示,18[图2(a)]和20kV[图2(b)]时,纺丝电压较低,电场力较小,纺丝溶液未得到充分拉伸,均有串珠现象。当电压为28kV[图2(e)]时,纺丝液由于过大的电场力作用,射流在很快的速度下直接喷到接收屏上,导致有些射流的分裂不够充分,使得纤维直径差异较大,从而导致所制备的隔膜的效果很差。而电压为22[图2(c)]和25kV[图2(d)]所制备的隔膜其纤维直径均较小,且均匀性较好,只含有少量的串珠,其形貌符合锂离子电池隔膜制备的要求。但从实验操作的安全性方面考虑,25kV[图2(d)]时电压太高,故采用22kV电压作为制备PVDF隔膜的最佳纺丝电压。

2.3 最佳纺丝速度的确定

纺丝速率是指注射泵单位时间内供给静电纺丝溶液的体积,直接影响纺丝的生产效率,也影响着纺丝的形貌和质量。不同放大倍数下不同纺丝速度制备的PVDF锂电池隔膜用SEM表征,见图3。

[(a)0.0009mm/s;(b)0.0007mm/s;(c)0.0005mm/s;a1,b1,c1:X2000;a2,b2,c2:X5000]

图3表明:在纺丝速率为0.0009mm/s[图3(a)]时,直径较大且有少量串珠结构存在,而纺丝速率为0.0005mm/s[图3(c)]时,纺丝速率较低,纺丝过程不连续,纤维直径不是很均一。只有在0.0007mm/s[图3(b)]的纺丝速率下,所制备的纤维直径比较均匀,且几乎无串珠现象。因此,将纺丝速率为0.0007mm/s作为制备PVDF隔膜的最佳纺丝速率。

2.4 PVDF锂离子电池隔膜与市售的Celgard生产的PP/PE/PP三层隔膜SEM图对比

(a1:X2000;a2:X5000)

图4为PP/PE/PP三层隔膜(Celgard)的SEM图,其中a1和a2为不同的放大倍数。与图3中b1、b2的PVDF隔膜对比,PP/PE/PP三层隔膜具有少量串珠结构,且纤维直径不均匀,b1、b2中的PVDF隔膜无串珠结构,形貌较PP/PE/PP三层隔膜好。

3 结论

(1)静电纺丝制备PVDF隔膜的最佳纺丝参数:纺丝液浓度为18%,纺丝电压为22kV,纺丝速率为0.0007mm/s。

(2)静电纺丝是最具有工业化前途的生产纳米锂离子电池隔膜的技术方法之一。

(3)静电纺丝制备PVDF隔膜在形貌上较Celgard生产的PP/PE/PP三层隔膜好。

摘要：主要研究静电纺丝法制备PVDF锂离子电池隔膜的最佳纺丝条件。实验表明:纺丝浓度18%(wt,质量分数,下同),纺丝电压22kV,纺丝速率0.0007mm/s为静电纺丝制备PVDF隔膜的最佳纺丝条件。静电纺丝法制备PVDF锂离子电池隔膜与Celgard的PP/PE/PP三层隔膜相对比,静电纺丝法制备PVDF锂离子电池隔膜形貌较好,串珠结构更少。

关键词：静电纺丝法,PVDF,锂离子电池隔膜

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5.利用多晶硅生产废物制备偏硅酸钠 篇五

偏硅酸钠是一种重要的化工原料,广泛应用于洗涤剂[6]、陶瓷、电镀、纺织、印染、造纸等领域[7]。本工作将多晶硅生产废物水解生成偏硅酸,再加碱制备偏硅酸钠,实现了废物的“无害化”和“资源化”[8]。

1 实验部分

1.1 试剂和仪器

多晶硅生产废物:主要含SiCl4 (质量分数96%)、SiHCl3和SiH2 Cl2等,四川峨眉半导体材料厂提供。NaOH:工业纯。

PHS-3C型精密pH计:上海雷磁仪表厂。

1.2 制备原理

将多晶硅生产废物加入水中,其中的SiCl4、SiHCl3和SiH2Cl2水解生成偏硅酸沉淀,产生的HCl气体溶于水中形成盐酸溶液。滤渣偏硅酸与NaOH反应生成偏硅酸钠。

1.3 实验方法

1.3.1 多晶硅生产副产物的水解

向装有8 000 g水的密封容器内加入700 g多晶硅生产副产物,水解反应后,静置冷却,过滤,滤渣为偏硅酸,滤液为盐酸溶液[9]。

1.3.2 偏硅酸钠的制备[10,1]

将滤渣充分洗涤后加入一定量质量分数为45%的NaOH溶液,搅拌均匀,调节溶液pH为12.5,得到偏硅酸钠溶液,过滤,取滤液备用。在配有温度计、搅拌器的烧杯中加入250 mL偏硅酸钠溶液,加热至沸腾,保持30～45 min,再缓慢降温,溶液刚出现浑浊时,加入少量晶种,再缓慢降温,冷却至室温,放置3～5 h后,抽滤,将产物于50～60℃条件下真空干燥至恒重,母液循环使用。

为保证获得质量合格的偏硅酸钠,本实验应用了以下工艺:

(1)制备偏硅酸钠反应程度的控制

由于纯净偏硅酸钠溶液的pH为12.5,故采用pH计测定偏硅酸与NaOH反应后所得溶液的pH,严格控制为12.5,使n(Na2O):n(SiO2)=1:1,以制备合格的偏硅酸钠。

(2)偏硅酸钠溶液结晶浓度的控制

由Na2O—SiO2—H2O三元体系相图[12]可知:结晶溶液中Na2O和SiO2的含量只要控制在一定范围内,都可生成偏硅酸钠。当SiO2含量一定时,溶液中Na2O含量越高,结晶速率越快,但较快的结晶速率易使结晶粒度太小,晶体成长时夹带Na2O较多,产品质量难以达到要求。故本实验通过NaOH加入量核算的Na2O的加入量比理论量(质量分数29%)稍低,确定为28.5%±0.1%。

(3)偏硅酸钠结晶的控制

在偏硅酸钠结晶过程中,为了获得质量较好的结晶,除应控制好降温速率外,还应向溶液中加入合适粒径及数量的晶种,使被结晶的物质在晶种表面生长,且整个过程在较慢的搅拌速率下进行。晶种的加入量取决于结晶过程中可被结晶出来的物质的质量和所希望得到的产品的粒径。根据文献[13],本实验采用粒径为0.1 mm的晶种,每升溶液中晶种加入量为1 g。

1.4 分析方法

按HG/T2568—94《工业偏硅酸钠化工行业标准》测定偏硅酸钠晶体的各项指标。

2 结果与讨论

2.1 水解温度对HCl排放质量浓度的影响

SiCl4等在水解时放出大量的热,温度升高,会使溶解于水中的HCl气体挥发出来,污染环境。水解温度对反应器排气口HCl排放质量浓度的影响见图1。由图1可见,水解温度高于44℃时,超过HCl允许排放质量浓度的最高限(2.3 mg/m3)。因此,水解温度应控制在40℃以下,才能使挥发出来的HCl不会对环境造成污染。

2.2 水与多晶硅生产副产物质量比对HCl排放质量浓度的影响

水与多晶硅生产副产物质量比对HCl排放质量浓度的影响见图2。由图2可见:水与多晶硅生产副产物质量比较小时,SiCl4等水解时生成的HCl浓度太高,容易挥发出来,HCl排放质量浓度较高;水与多晶硅生产副产物质量比较大时,HCl浓度太低,后续处理能耗很大,综合考虑,水与多晶硅生产副产物质量比10～12为宜。

2.3 水解时溶液pH的确定

SiCl4等水解时生成不溶于水的偏硅酸和溶于水的HCl,生成的偏硅酸颗粒极小,若偏硅酸生成量太小,容易形成溶胶,过滤时留在滤液中;若偏硅酸生成量太大则易生成凝胶,极难过滤。控制水解时合适的溶液pH,可使偏硅酸颗粒大部分形成沉淀,易于分离。溶液pH对偏硅酸分离难易的影响见表1。由表1可见:当水解溶液pH>2.5时,偏硅酸以透明的溶胶状态存在,偏硅酸与盐酸很难分离;当水解溶液pH<2.0时,偏硅酸以凝胶状态存在,偏硅酸与盐酸也很难分离;当水解溶液pH为2.0～2.5时,绝大部分偏硅酸能生成沉淀,偏硅酸与盐酸容易分离。因此,水解时溶液pH应控制在2.0～2.5。

2.4 偏硅酸钠溶液降温速率的确定

在偏硅酸钠晶体生长过程中,偏硅酸钠晶体的生长对温度比较敏感,通过控制不同的降温速率可得到不同外形的偏硅酸钠晶体,不同降温速率下所得偏硅酸钠晶体的大小见表2。

在相对恒定的温度和过饱和度下,降温速率过快则晶粒过小,细晶多;降温速率过慢则晶粒过大,且成本增加。从表2可以看出,当外加晶种后,控制1.0℃/min左右的降温速率,可使晶体均匀生长,晶体大小适中、均匀。

2.5 产品质量测试结果

按HG/T2568—94《工业偏硅酸钠化工行业标准》测定所得偏硅酸钠晶体的各项指标,结果见表3。由表3可见,所得偏硅酸钠完全符合优等品指标。

3 结论

a)将多晶硅生产副产物水解生成偏硅酸沉淀,水解温度应该控制在40℃以下,水与多晶硅生产副产物质量比10～12为宜,水解时溶液pH应控制在2.0～2.5。

b)向偏硅酸滤渣中加入NaOH制备偏硅酸钠,pH控制在12.5,降温速率控制在1.0℃/min。

6.多晶硅太阳能电池制备工艺(论文) 篇六

一、太阳能级多晶硅企业工艺介绍

目前,全球太阳能多晶硅企业以改良西门子法生产工艺为主,其生产过程为,以金属硅粉、氯气、氢气为原料,经过氯化氢合成、三氯氢硅合成、合成气干法回收、精馏提纯、氢化、还原等过程,包括后续物料处理过程、循环水、脱盐水、锅炉等公用工程,配电等辅助生产过程。

多晶硅生产中的原辅材料、中间产品如氢气、氯气、三氯氢硅、四氯化硅等都是有毒有害、易燃易爆气体,生产过程存在高温高压,因此属于危险化学品生产企业,是安全监管中的高危行业。

二、太阳能级多晶硅企业的生产管理

太阳能级多晶硅企业是危险化学品生产企业、流程型生产企业,必须保证安全生产和生产过程运行的连续性。一旦出现安全事故不仅危及职工健康、生命、污染环境等,而且也会造成停车、财产损失和生产线的瘫痪;同时因为是流程型生产企业,要保证连续供料,保证每台设备都稳定运行,因为任何一个环节发生问题都会引起整个生产线的瘫痪、影响产品质量等。而出现一次系统停车,对多晶硅企业就会影响生产七天左右,损失很大,因此多晶硅企业生产运作过程管理十分重要。

1. 生产安全的保证

为了保证生产的安全,根据多晶硅企业的生产工艺特点,应该从以下几点做好:

科学规划,合理布局,确保建构筑物安全。根据主辅装置的功能、危险程度,严格按照国家规定的相关防火间距,控制危害范围,减少相互影响。建构筑物的火灾危险性、耐火等级、层数、建筑面积、防火分区、防爆泄压设施、通风设施、安全疏散通道等等应严格按国家规定执行。

提高生产过程自动化水平,配备自动检测、报警控制系统。通过采购DCS或PLC控制系统,设置可靠的检测、控制仪器、仪表,自动检测控制流量、压力、温度、液位等工艺参数,实时检测危险物品的泄漏报警装置。并配备自动报警、自动紧急(连锁)停车系统,实现生产控制的自动化,不仅减轻职工劳动强度也减少人为误操作的事故发生。

配备完善的应急装置、消防系统。自动控制离不开仪表空气、电的供应,因此必须有可靠的应急电源、仪表系统的UPS电源、仪表执行必须仪表空气的储备,保证重要设备、仪控系统的正常运行。易燃易爆物料的保护离不开氮气,因此必须在动力电停止后有足够的氮气或液态氮(备用气化装置)储存。危险装置配备有应急装置如液氯系统备用氯气泄漏的无害吸收系统,保证出现事故时没有或尽可能少的物料外泄。

保证个体防护用品和应急救援器材的配备,以保证职工正常工作时的防护和出现事故、泄漏时救援使用。

严格安全管理。按照《企业安全生产标准化基本规范》来管理企业的安全生产工作。

2. 生产的稳定运行

改良西门子法太阳能级多晶硅生产是流程型企业,各工序联系紧密,自动化水平高,大型设备多,并且是危险化学品生产企业,稳定生产是保持成本降低的有力保障。

首先,大力推行6S管理,加强现场管理。如修养(SHITSYKE),每位成员都养成良好的习惯,并遵守规则做事,防患于未然。目的,培养有好习惯、遵守规则的员工,营造团队精神。深刻理解其意义,包括职工在生产中的规范操作,遵守操作规程、安全规程等,避免因操作造成事故、停车等。

全面落实ISO9001质量管理体系,确保质量的控制良好。多晶硅产品本身是高纯度的硅,其纯度是质量的保证,而生产中能够影响质量的因素很多,通过全面贯彻ISO9001质管管理体系,在原辅材料投入使用前、中间产品过程、产品出厂前分别设置检验程序,保证产品的优良。

设备的维护和改造。设备是生产的重要设施,设备稳定运行是生产稳定的前提,因此在设备维护上根据其性能、特性,按照日常维护、小修、大修进行管理,及时发现设备存在的问题或隐患并得到修复,通过定期的大修检查起到预防设备事故的作用。

3. 成本的有效控制

根据不同区域电、煤价格,以平均消耗量和国内电、煤平均价格计算,能源消耗费用在多晶硅产品售价中比重超过50%以上,有的区域(企业)甚至达到80%。根据不同企业技术、装备、管理水平等,生产每吨多晶硅能源消耗折标煤目前在10~16吨左右不等,采用直供电、利用电厂乏汽、坑口电厂附近建厂的方式,可以节约工厂蒸汽的设备系统投资和蒸汽消耗的费用,同时改生产过程能源消耗的长距离运输(送)为产品运输降低企业运输成本,使产品成本更低。因此选择合适的地域建厂、采用先进技术和良好的生产管理,使单位产品能耗处于较低水平是决定多晶硅企业成本的关键。

三、结束语

进入21世纪,企业所处的市场环境竞争日益激烈,必须采用新的高效的管理模式,通过不断改进企业的经营战略、生产战略,来不断适应市场的变化,赢得用户对产品性能、特性、价格等各方面的需求变化,才能使企业在市场长久的站稳脚跟。

摘要：太阳能光伏发电是利用自然界取之不竭的太阳能光源发电的技术,因此太阳能被誉为绿色能源。太阳能级多晶硅企业产品单一,其属于工业产品,多晶硅生产能源消耗高,因此要使企业立于市场的不败之地,企业要选择新产品时确定好产品战略—多晶硅企业是成本领先型。加强生产管理杜绝安全环保事故的发生,安全、环保不仅是企业的效益更是企业的社会责任。

关键词：太阳能,多晶硅企业,生产管理

参考文献