太阳能电池硅片的重用评估通过转变革命和工具旋转超声电化学微加工中使用磁援助

文摘

新的重用制造用工具模块通过一个磁性的过程与旋转和革命协助超声电化学微加工(UEMM)去除表面的层从太阳能电池的硅晶片。的目标提出了重用制造方法是替代当前的方法,它使用强酸和研磨和可能损害硅片的物理结构和污染环境。精确设计的清洁生产方法去除硅片的表面微观结构层是开发一个大规模生产系统回收有缺陷或丢弃的硅片太阳能电池可以减少污染和成本。转移的高转速和高转速的设计工具增加了放电流动性和提高去除效果与工件的高进给速率有关。高频率和高功率的超声电解液流量和高磁场强度大与小的距离两磁铁之间提供一个大的放电效应和良好的去除;只需要很短的时间内把环氧电影和Si₃N₄层容易和干净。

1。介绍

太阳能电池技术的成功,让太阳能直接转化为电权力代表全球能源行业(一个重要的里程碑1,2]。针对能源短缺,环境保护的必要性,以及预测未来缺乏硅材料、太阳能光电的研究和应用已经成为全球重要的。除了它的发展潜力巨大,太阳能也有丰富的优势,可访问性,比选择造成更少的污染。太阳能光电行业正变得越来越重要,预计太阳能将取代石油成为最重要的能源在可预见的未来(3]。以商业规模生产光伏模块可以追溯到1980年代。光伏(PV)模块制造商提供一个20 - 30年的保修工作,所以模块产生在1980年代应该在这十年里的委员会和回收,而模块制造在2000年到2030年应该回收。近年来,光伏发电系统已经获得前所未有的关注作为一个环境有益的方法来解决能源问题。从经济角度看,纯硅,可以重新使用的细胞,是最重要的材料由于其成本和短缺。Ewa等人选择了使用或损坏模块和细胞回收方法和实验结果。优点和缺点描述的技术,优化的方法可能是有用的。光伏模块的回收过程包括两个主要步骤:分离细胞和炼油。在第一步,细胞分离由于热或化学方法使用。通过化学处理分离细胞受损的光伏模块不是经济价值; a far more better solution is to use thermal treatment. Next, the separated cells are refining. During this process, useless layers are removed. The implementation of laser techniques in unwanted layer removal stage, in comparison with chemical treatment, is also disadvantageous. An optimal solution is to use thermal treatment for cell separation and chemical treatment for removing the metallization, contacts, antireflective coating, and the n-p junction [4- - - - - -6]。

电磁金属成形(EMF)的一个例子是一个高速的形成过程,是由electromagnetic-mechanical耦合的动力学系统。“磁”压力提供了必要的动能。磁脉冲加速工件到一定速度(如200 - 300 m / s)和物质驱动到死,导致形成的影响(7,8]。其他应用包括压花、消隐和绘画。磁去毛刺也被用于孔钻成管状。结果表明,毛刺内管道可以使用磁删除过程和毛刺的高度可以成功地从163年µm 1µm下降。这个磁去毛刺可以有效地用在长管(9]。thermomagneto机制的制定是用来模拟电磁(EMF)板料成形过程。在这个过程中,工件的变形是通过电流之间的相互作用中产生的工件的磁场线圈相邻工件。然而,对于真实的工业应用,三维的建模形成操作成为一个有效的流程设计的关键。这种3 d模型的实现仍是工作进展。结果表明在研究仅限于轴对称情况下(10]。超声学自1927年以来在工业中发挥了重要作用[11]。传统的超声波加工()使用磨料浆和振动工具(通常10 - 15μ米在振幅和15 - 30千赫频率)。磨料磨具是由振动动员的工具材料。超声学也被广泛应用于焊接、冶金、清洁、测量和通信(12]。陶瓷和复合材料可以加工使用超声学(13]。Gilmore比较各种非传统加工方法加工陶瓷,包括研磨、超声学、电火花加工、激光加工、和水喷射加工。Gilmore发现其他加工方法(超声波加工有着独特的优势14]。电解加工(ECM)涉及使用腐蚀性化学溶液腐蚀表面的工件。这种方法有利于避免变形和框的边缘,也适用于脆性材料。设备和操作成本低,设计变更不太贵。相关应用等行业中可以看到化学消隐、铣削和雕刻15]。

电解加工(ECM)涉及工件之间的连接直流电源的阳极和阴极。工件阳极和阴极之间的电解液会导致工件的一部分在电化学溶解(ECM)反应(16]。ECM的实现的主要困难在于电极的设计由于复杂的金属切削过程(17]。先前的研究表明,电极和工件之间的差距的大小直接影响当前条件和电解液渣排放(18]。ECM过程仍未得到充分利用的由于缺乏了解金属切削机理和困难参与工具的设计。即使是简单的情况下,是不可能准确地预测工作概要文件(19]。各种不同类型的电极也为电解抛光(开发20.- - - - - -24]。

硅晶片的主要材料是晶体管集成电路和微处理器的主要组件,计算机内存,今天几乎所有的电子设备在使用。目前太阳能产业面临的最大挑战是材料短缺。针对这一点,有必要开发一种新的和更有效的回收技术对硅晶片制造商提高其竞争力。目前使用晶片被回收和翻新的比例降低制造成本和浪费,因为回收晶片成本不到一半的新的。然而,最常见的回收过程包括磨损,腐蚀,抛光,清洗,表层的一部分晶片。另一种方法,那就是更快、更便宜比通常的化学和机械整平(CMP),是蚀刻硅片与氢氟酸(HF)解决方案(25,26]。本研究引入了一个新设计的工具,在两个轴上旋转的过程,结合超声电化学微加工(UEMM)与磁援助的混合复合材料从太阳能电池硅片的表面涂层。清洁生产的方法去除表面缺陷的电影。这是一个低污染回收过程,适用于大规模生产的太阳能电池硅片恢复或有缺陷的项目。本研究的目的是演示这个循环系统作为替代的方法,使用强酸和磨蚀破坏硅晶片,当然是对环境有害。该系统允许有缺陷的太阳能电池晶片生产线,以及使用的回收和恢复生产。这个过程将降低成本,提高效率,减少污染,没有损失的硅(因为不涉及磨损)和回收晶片可以回到生产线。

2。规格太阳能电池硅片回收(25,27]

2.1。工程规范

(一)成功删除缺陷从太阳能电池硅片表层,回收硅晶片不得保留金属元素或残留在表面,应该接受恢复生产。(b)内部回收线,可选在太阳能电池硅片腐蚀缺陷的电影使回收硅晶片没有金属元素或残留在表面。然后接受恢复生产。

2.2。商业规范

(一)绿色制造回收的基础上减少次品的浪费太阳能电池硅片引入和使用的主要晶片制造商在台湾和其他国家。(b)项目的目标是建立一个太阳能电池硅片回收的机械模块,适用于设备,加工和制造技术,以促进这些服务的引入台湾和外国制造商和建立回收线满足制造商的需求。

2.3。技术规格

(一)太阳能电池硅片的电影有缺陷的部分或完全删除降低制造成本。(b)定制的回收线应符合制造商的需要回收的有缺陷的晶片。此外,回收线有助于降低成本和节约材料,同时提供完整的回收和减少污染。

3所示。设计过程

本研究除适用于微结构(μ米)。实验设置如图1并导出了设计分析。这是作为一个基础的发展过程结合microelectroetching和ECM的太阳能电池硅片消除缺陷从晶圆表面的薄膜。传统6′′太阳能电池硅片被用于这些实验。

4所示。实验装置和参数

工件使用太阳能电池硅片6′′直径0.2毫米厚,沉浸在电解液槽的循环过程。使用的设备精度的复合环氧树脂和硅₃N₄使用磁层协助超声电化学微加工(UEMM)包括两个磁铁,超声波发生器,直流电源,加热器,泵,流量计,电解液槽,一个过滤器。循环系统的实验装置示意图见图1。的配置如图magnetic-assistance机制2。工具模块的配置与旋转和革命(转变)如图3(一个)。新设计的配置工具和工件(太阳能电池硅片)如图3 (b)。在目前的实验中,连续提供的工具。这个过程移除8μ和0.2米的环氧电影μ米斯₃N₄硅晶片的表面。使用的电解质wt NaNO 15%₃和5%的wt PO4-3-P磷酸。电解液的温度是60°C。连续直流电流(和电压(150))使用40岁,60岁,80,或100 V。工件的进给速率(太阳能电池硅片)从50到500毫米/分钟不等。非接触式距离()从阳极到环氧树脂膜表面是6,7,8,9,10毫米。的组合频率、超声波功率和流量使用的电解质是(50千赫/ 50 W 10 L / min),(50千赫/ 100 W, 20 L / min),(100千赫/ 100 W, 30 L / min),和(100千赫/ 150 W, 40 L / min)。的组合磁场强度(磁场强度)和两磁铁之间的距离(1000高斯,1000毫米),(2000高斯,1200毫米),(3000高斯,1400毫米)和(4000高斯,1600毫米)。的组合工具革命(转移)和工具使用旋转速度(每分钟200转,每秒300 rpm), (400 rpm, 500 rpm), (600 rpm, 700 rpm), (800 rpm, 900 rpm)。的结合阳极半径()和阴极半径()(10毫米,10毫米),(15毫米,15毫米),(20毫米,20毫米),(25毫米,25毫米)。直径()的阴极是74毫米(4毫米阳极和阴极之间的差距),72毫米(5毫米阳极和阴极之间的差距),70毫米(6毫米阳极和阴极之间的差距),或68毫米(7毫米的阳极和阴极之间的差距)。所有工件都在水中清洗后回收过程和干燥的空气。环氧树脂和硅的厚度₃N₄纳米结构被确定通过测量在晶片上的两个以上位置使用NanoSpec膜厚度测量系统(NanoSpec电影分析仪3000)。

5。结果与讨论

图4显示了一个高迁移率的复合层氮化硅(Si₃N₄)和环氧树脂的使用不同的组合频率、超声波功率、电解液的流量。很明显可以看出超声学的影响电化学微加工过程(UEMM)是提高去除率。频率越高/权力或电解液流量,去除效果越好。原因可能是超声振动能量和高电解液流量促进渣的排放的严格加工缺口。

图5显示了一个测试的结果不同组合的磁场强度(磁场强度)和两磁铁之间的距离。结果表明,磁场强度高和短的距离两磁铁之间的对应于一个较高的去除率的复合环氧树脂层和氮化硅(Si₃N₄)。它也可能高强度磁场促进渣排放。高磁场强度和小的距离还允许一个更高的工件进给速率合成减少加工时间和成本。

如图6一个合适的工件(太阳能电池硅片)进给速率和足够的电流保证环氧树脂和硅的复合层₃N₄是完全移除。高进给速率的单位面积上的电力传输效率降低晶片表面,而较低的加息。情况下的进给速率高,可能没有足够的电解电源完全删除层。但如果进给速率太低这将增加处理时间也导致更高的成本。实验结果表明,环氧树脂的有效和完全删除从晶圆和氮化硅层,几个进给速率和持续的组合设置直流电压给发现了最优结果:40 V 300毫米/分钟,60 V 325毫米/分钟,与350毫米/分钟80 V, 100 V和375毫米/分钟。

根据理论公式的纯金属去除率由法拉第定律(16,26), 在哪里当前,是时间,法拉第常数。

从图4一种合金,让和;然后 从图4一种合金, 在哪里原子序数,成分的比例,是原子质量,是电化学腐蚀区域,工件的密度,是电压的差距,是互惠的电解质的电阻,蚀刻率在纵向方向。从上面的方程,理论工件的进给速率可以计算给定的材料。

从图4, 在哪里的宽度之间的差距circular-rhombus工具和太阳能电池硅片的表面,是阴极的长轴的长度,然后呢microelectroetching去除深度: 调整和简化(5), 在哪里工件的进给速率和吗去除率在纵向方向。从(6), 从(7)可以看出,实验结果与理论预测一致(见图6 (b))。实验结果表明,去除量成正比的直流电压()和工件的进给速率成反比(),同意理论的预测(见图6 (b))。

图7显示的结合高速革命(转变)与高速旋转的工具增加了放电所需的流动性,提高去除效果高的工件的进给速率。革命(转变)高速度和高转速提供更多的动能电解液渣排放和生产更好的电化学微加工和去除效果。在这个系统的超声振动、电磁力量,较高的革命(转变),旋转速度结合产生一个高效和完全放电的糟粕。

图8显示了阳极的组合的影响半径()和阴极半径(在删除过程)。减少这些半径导致更多开放空间进而降低了抗渣排放和结果在更有效的冲洗路径工具的特性和硅片表面,从而也减少了所需的时间删除给定的环氧树脂和硅₃N₄薄膜。

图9显示了不同直径的影响(在删除过程)的阴极。图9(一个)显示一个小直径()阴极,阴极之间有很大的差距和硅片表面减少删除过程所花费的时间。可以再次证明了电化学反应产物(渣)更容易退出一个大型加工缺口。结果在图9 (b)说明大直径()阴极和一个小差距阴极和硅片表面减少所需的时间删除给定的环氧纳米结构自microelectroetching效果更容易开发电化学能源的充足供应。实验结果表明,小缺口(4毫米)结合连续高直流电压和高工件进给速率减少microelectroetching时间。然而,放电的渣滓从一个小缺口是很困难的。确保稳定运行microelectroetching和ECM的过程中,发现了5毫米的差距是最优的。

在当前的研究中,7)也可以用来解释如何控制稳定互惠电阻()可以提高整理效果。增加放电流动性(革命转变,工具旋转,超声振动,磁力,等等),指导放电运输,和提供一个清晰的冲洗路径将建立互惠的电阻()稳定。高速革命(转移)和旋转的新设计工具;高频率和高功率超声学和高速率的电解液流;高磁场强度从磁铁很近;和小阳极和阴极半径带来更好的环氧树脂膜和Si₃N₄层。

6。结论

新设计的工具和过程实现太阳能电池硅片的准确回收的混合环氧树脂和硅氮化硅复合材料涂层₃N₄从晶圆表面的清洁和容易。这个精确的过程促进了回收的缺陷或使用晶圆太阳能光电产业使返回有缺陷的和使用晶圆生产。大阴极旋转直径提供一个小阳极和阴极之间的差距给层移除率很高。高频率和高功率超声学和电解液流量大,高磁场强度的磁铁很近,或者小阳极和阴极半径增加渣排放和减少时间干净地去除环氧树脂和硅的复合层₃N₄。渣排放也提高了高速革命(转移)和旋转的工具。增加放电结合率高的连续直流电流导致较高的去除率,因此还允许使用更高的进给速率。研究成功演示了缺陷的实际回收晶片生产的太阳能电池硅片过程及其恢复生产。该方法不仅避免了硅的损失,由于没有磨损,还会降低成本,提高效率。

确认

本研究支持了本十co .)和由国家科学委员会,合同101 - 2221 - -002 e - 152和102 - 2221 - e - 152 - 005。

引用

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