太陽能電池片生產過程大氣污染排放分析

劉　浩，梁清華（.中冶東方控股有限公司；　.包頭鋼鐵職業技術學院，內蒙古　包頭　0400）

太陽能電池片生產過程大氣污染排放分析

劉浩1，梁清華2
（1.中冶東方控股有限公司；2.包頭鋼鐵職業技術學院，內蒙古包頭014010）

分析太陽能多晶硅電池片生產過程各類大氣污染物的來源、成分、初始排放濃度等污染特征，按照技術成熟、經濟合理、達標排放等大氣污染物控制原則，對產生的酸性廢氣、堿性廢氣、有機廢氣設計了相應的酸性廢氣凈化系統、堿性廢氣凈化系統、活性炭吸附系統等廢氣處理措施，凈化后的外排廢氣滿足國家相關大氣污染物排放標準要求。

多晶硅電池片；大氣污染；酸性廢氣；有機廢氣

1　引言

太陽能作具有清潔、安全、資源豐富等優勢，有關機構預測，2030年全球光伏裝機目標1000GW，中國2050年光伏裝機目標100GW，太陽能光伏產業發展潛力巨大。作為光伏產業重要組成部分的太陽能電池片生產近年發展迅速，其中多晶硅電池片發展成熟，產量約占全部光伏電池的80%以上，在全國多地均有布局。多晶硅電池片通常以上游合格多晶硅切片為原料，經制絨、刻蝕、印刷燒結等工序處理后供應給下游光伏電池組件企業制成光伏電池成品。多晶硅電池片生產過程產生氟化物、氮氧化物、鹽酸霧、Cl2、硫酸霧、NH3、非甲烷總烴等多種大氣污染物，如控制不當可能對當地大氣環境和周圍人群健康產生不利影響。

2　生產工藝簡述及大氣污染物排放特征

2.1生產工藝簡述

太陽能電池片生產工藝通常包括硅片清洗、制絨、堿洗、酸洗、磷擴散、邊緣刻蝕、等離子化學氣相沉積（PECVD）、絲網印刷干燒結、檢測包裝等工序，簡述如下：

（1）超聲波清洗。去除硅片上的污物，把硅片放入超聲波清洗器中清洗，如進廠前已經清洗過，可直接進入制絨工序。

（2）制絨。太陽能電池片采用硝酸、氫氟酸、異丙醇等制絨，與硅片反應生成H2SiF6和NOX。反應方程式：Si +2HNO3+6HF→H2SiF6+NO2↑+3H2O +NO↑+H2↑。此工序產生含HF、NOX、H2、非甲烷總烴的廢氣。

（3）制絨后清洗：多晶硅太陽能電池制絨后采用純水噴淋清洗。

（4）堿洗：多晶硅太陽能電池制絨清洗后，再采用KOH進行堿洗。

（5）堿洗后清洗：堿洗后采用純水進行噴淋清洗。

（6）擴散前酸洗：堿洗后采用10%～20%的HCl進行酸洗，此工序產生含HCl廢氣。

（7）酸洗后水洗：酸洗后多晶硅太陽能電池采用純水噴淋方式進行清洗。

（8）擴散前酸洗：HCl清洗后采用10-20%的HF進行酸洗，此工序產生HF廢氣。

（9）酸洗后水洗：酸洗后多晶硅太陽能電池采用純水噴淋方式進行清洗。

（10）磷擴散：磷擴散是在硅片表層摻入純雜質原子的過程，工藝采用液態擴散源。過程反應為：C2H3Cl3+2O2→3HCl↑+ 2CO2↑。該工序將產生含HCl、Cl2的酸性廢氣。

（11）邊緣刻蝕：利用HNO3、HF和硫酸的混合溶液對硅片邊緣進行腐蝕，去除硅片邊緣的PN結，具體的反應式為：Si +HNO3+ HF →H2SiF6+NO2↑+H2O +NO↑+H2↑。

此工序產生含HF、NOX、硫酸霧的酸性廢氣。

（12）刻蝕后清洗：刻蝕后采用純水進行清洗。

（13）堿洗：刻蝕后采用NaOH進行清洗，以去除表面的H2SiF6。

（14）清洗：堿洗后采用純水進行清洗。

（15）去PSG：該工序是對刻蝕后硅片上的污物及在擴散中產生的SiO2用HF和HCl清洗的方法進行清除。該工序產生含氫氟酸和HCl的廢氣。

（16）清洗：去PSG后采用純水進行清洗和吹干。

（17）等離子化學氣相沉積（PECVD）

PECVD被用來在硅片上沉積氮化硅材料，將硅片裝在石墨舟上，通過化學反應產生氮化硅。典型化學反應為：3SiH4+4NH3→Si3N4+12H2↑。該工序產生含CF4、SiF4、SiH4、NH3及H2的堿性廢氣。

（18）絲網印刷干燒結。通過絲網印刷機將銀漿、鋁漿及松油醇調配成導電材料印刷在硅片上，作為太陽電池導電的主要通道；烘干后再經過高溫（電加熱）燒結成合金。該工序產生有機廢氣。

（19）分類檢測。成品入庫前使用檢測系統對產品進行檢測，將產品分等級包裝入庫待售。

2.2大氣污染物來源及排放特征

（1）電池片生產線酸性廢氣。電池片生產線酸性廢氣為含HF（以氟化物計）、氮氧化物、HCl、Cl2、硫酸霧的混合酸性廢氣，主要包括制絨工序產生的含HF、氮氧化物廢氣、擴散前酸洗過程產生的含HCl廢氣、磷擴散過程產生的含Cl2廢氣、去PSG過程產生的含HF、硫酸霧廢氣，廢氣初始濃度HF（以氟化物計）、氮氧化物、HCl、Cl2、硫酸霧分別為2.1mg/m3、72mg/m3、0.25mg/m3、14.7mg/ m3、6mg/m3。

（2）電池片生產線堿性廢氣。電池片生產線硅片PECVD過程產生含NH3、CF4、SiF4的混合廢氣，設計采用經PECVD設備附帶的廢氣燃燒器焚燒，燃料為天然氣，燃燒后的廢氣主要含煙塵、NH3、SO2、氮氧化物、氟化物，燃燒廢氣初始濃度煙塵、NH3、氮氧化物、SO2、氟化物分別為300mg/m3、7mg/m3、10mg/m3、12mg/m3、1.55mg/ m3。

（3）電池片生產線有機廢氣。電池片生產有機廢氣為污染物為非甲烷總烴，主要包括絲網印刷、烘干燒結、單晶制絨過程中加松油醇、異丙醇而產生的有機廢氣，廢氣初始濃度非甲烷總烴為60mg/m3。

3　大氣污染控制措施

（1）電池片生產線酸性廢氣凈化。電池片生產線酸性廢氣為含HF（以氟化物計）、氮氧化物、HCl、Cl2、硫酸霧的混合酸性廢氣，主要包括制絨工序產生的含HF、氮氧化物廢氣、擴散前酸洗過程產生的含HCl廢氣、磷擴散過程產生的含Cl2廢氣、去PSG過程產生的含HF、硫酸霧廢氣，上述酸性廢氣經管道收集后設計采用酸霧堿液噴淋洗滌系統進行收集處理，HF（以氟化物計）、氮氧化物、HCl、Cl2、硫酸霧設計凈化效率分別為80%、50%、90%、49%、85%，凈化后的廢氣通過高排氣筒排放，廢氣排放濃度HF（以氟化物計）、氮氧化物、HCl、Cl2、硫酸霧分別為0.42mg/m3、36mg/m3、0.025mg/m3、7.5mg/m3、0.9mg/m3，滿足《大氣污染物綜合排放標準》（GB16297-1996）二級標準要求。

電池片生產線酸性廢氣凈化系統處理系統由堿液噴淋洗滌塔、排風機、噴淋裝置、吸收液供給裝置和排氣筒組成，其工藝流程參見圖3-1所示。

圖3-1　酸性廢氣凈化裝置工藝流程圖

（2）電池片生產線堿性廢氣凈化。電池片生產線硅片PECVD過程產生含NH3、CF4、SiF4的混合廢氣（G4），設計采用經PECVD設備附帶的廢氣燃燒器焚燒，燃料為天然氣，燃燒后的廢氣主要含煙塵、NH3、SO2、氮氧化物、氟化物，燃燒后的廢氣通過堿性廢氣噴淋洗滌系統進行收集處理，設計噴淋液為稀鹽酸，煙塵、NH3、氮氧化物、SO2、氟化物設計凈化效率分別為90%、80%、50%、50%、80%，凈化后的廢氣通過高排氣筒排放，廢氣排放濃度煙塵、NH3、氮氧化物、SO2、氟化物分別為30mg/m3、1.4mg/m3、5mg/m3、6mg/m3、0.31mg/ m3，滿足《大氣污染物綜合排放標準》（GB16297-1996）二級標準要求及《惡臭污染物排放標準》（GB14554-93）二級標準要求。

該廢氣凈化系統由PECVD燃燒器、酸液洗滌塔、排風機、噴淋裝置、吸收液供給裝置和排風管等組成，其工藝流程參見圖3-2所示。噴淋液為稀鹽酸，與堿性廢氣發生反應生成水和鹽，進而除去廢氣中的堿性氣體。

圖3-2　堿性廢氣凈化系統工藝流程圖

（3）電池片生產線有機廢氣凈化。電池片生產有機廢氣為污染物為非甲烷總烴，主要包括制絨、絲網印刷、烘干燒結過程中加入異丙醇、松油醇而產生的有機廢氣，該廢氣經管道收集后設計采用活性炭有機廢氣吸附塔進行收集處理，廢氣初始濃度非甲烷總烴為60mg/ m3，凈化效率80%，凈化后的廢氣通過排氣筒排放，廢氣排放濃度非甲烷總烴為12mg/m3，滿足《大氣污染物綜合排放標準》（GB16297-1996）二級標準要求。

該有機廢氣凈化系統由活性碳纖維筒吸附裝置、排風管和排風機、排氣筒等組成，處理工藝流程參見下圖3-3所示。

圖3-3　有機廢氣凈化處理工藝流程圖

4　結語

太陽能晶硅電池片生產工序多、工藝復雜且涉及硝酸、氫氟酸、鹽酸、硫酸、異丙醇、松油醇等多種化學品，生產過程產生氟化物、氮氧化物、HCl、Cl2、硫酸霧、NH3、非甲烷總烴等多種大氣污染物，通過分析各類大氣污染物的來源、成分、初始濃度等污染特征，按照技術成熟、經濟合理、達標排放等大氣污染物控制原則，對生產中產生的各類廢氣設計了相應的處理措施，凈化后的外排廢氣可滿足國家相關排放標準要求。

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10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.10.037

劉浩（1983-），男，寧夏中寧人，清華大學碩士生在讀，注冊環評工程師，中級工程師，研究方向：環境影響評價及節能評估咨詢等。