高向阳

摘要：该技术通过非金属料蓝式超声波清洗机和真空隧道式微波烘干联合使用，对光伏类产品实现清洗、烘干。目前国内无成型设备，真空隧道式微波烘干在光伏类企业中未有使用、并且在光伏类企业中清洗烘干领域内未见超声波与微波联合使用的案例，该技术介绍超声波清洗及微波烘干联合在光伏产品的运用。

关键词：超声波清洗;微波烘干;多晶硅

一、超声波清洗、微波烘干的背景

1.光伏清洗的概况

随着不可再生能源的逐步枯竭，作为可再生能源-硅料，广泛用于光伏产业和半导体产业。多晶硅是光伏和半导体的原料，硅片转化效率取决于硅料的质量，其不仅受硅料内部质量的影响，还受硅料外表面质量的影响。对于多晶原生料、硅片等光伏产品，表面存在浮尘、表面金属、硅粉等影响后续影响电池或半导体器件的成品率和性能。

目前对硅料进行清洗后，广泛采用红外烘干方法，烘干温度高，要达到150℃以上，冷却时间长达5-12小时，烘干时间长、效率低、成本高等问题。

超声波超声清洗无法将多晶原始料表面，全部通过超声的方式清洗完全;对表面、裂纹、孔洞等较大缝隙的菜花料超声清洗、烘干不完全，时间过长，冷却较长;红外烘干技术对原始多晶线性尺寸在0-3mm、3-25mm、25-50mm的进行烘干、冷却效果较差，烘干不完全，冷却较长等缺陷问题。

光伏类原生物料破碎好的异常料、菜花、碎料等种类产品需要进行超声波清洗，清洗后进行烘干，达到免洗料、免洗菜花料、免洗添加料的质量要求，以提高产品附加值。随着光伏下游市场对多晶硅内、外在品质要求越来越高，多晶硅生产破碎过程可能引入二次污染。光伏多晶硅生产企业，以“注重细节、尊重客户”为导向，对多晶硅破碎处理后，使用超纯水进行全部物料清洗以去除表面异物及粉尘等方式势在必行。在多晶硅生产过程中，物料中破碎好的表面异常料、硅芯异常料、菜花、碎料等种类产品需要进行超声波清洗，处理后的物料清洗后进行烘干，达到免洗料、免洗菜花料、免洗添加料的质量要求，以提高产品附加值。

（1）目前需要清洗的多晶硅物料特性：

1）颗粒状尺寸5-200mm;

2）外观无规则;

3）间断性料篮内物料堆积高度碎料：10-30mm，菜花：110-130 mm;

4）表面、裂纹、孔洞状菜花料;

（2）现有清洗机的现状

现存超声波清洗技术使用传统的四槽超声波自动清洗机（隧道烘干线），烘干技术采用 “隧道内高压风机切水--隧道热风循环干燥-冷却风下料” 的烘干技术。该装置存在以下缺点：

1）料篮式设计，上下料困难。

2）料篮采用圆钢SUS 304框架和细丝网焊接而成，存在金属污染及金属丝网老化脱落在多晶硅内的重大质量隐患。

3）物料框篮较小（400*550*260mm），清洗量较小（2-3Kg/篮，40 Kg/h）。

4）烘干热量不均匀、烘干量较少。

5）清洗烘干厚度较低，对堆积密度较高或存在孔洞的物料清洗烘干效果差、时间长、效率低。

（3）技术特点

超声波装置烘干后只能满足25-150 mm大块多晶硅烘干最低要求，但对颗粒状尺寸3-25mm碎料和菜花料烘干效果较差，不能满足要求，需要长时间的静置晾晒的方法进行处理。长时间静置晾晒具有引入杂物、二次污染、占据较大生产空间、浪费人力等问题。

为了做好全面清洗物料的形势需要，解决物料表面污染的生产瓶颈，研发清洗烘干技术，采用“舟式”超声清洗技术，使用精密超声（25-50kHz）波浸泡脱脂清洗。再通过纯水喷淋漂洗物料表面的残液，使多晶硅料达到最佳清洗效果。

烘干采用微波技术，微波能穿透被加工产品的热效应进行加热较为合理。微波加热可以对各类含水粉状、颗粒状、片状、条状、板状、小型坯件等物料进行烘干。30kw微波可以穿透颗粒状堆积量高度在70-90 mm产品。微波加热对颗粒状、低湿含量的物料进行干燥具有很多优点，如干燥速度快，干燥均匀，节能，湿含量控制精确等优点。

二、“舟式”超声波清洗-隧道式微波烘干技术工艺设计

1.开发形式：

目前在多晶硅清洗烘干领域内未见超声波与微波联合使用，未见“舟式”超声波清洗机在多晶硅领域的运用。提出符合物料技术参数要求，开发“舟式”超声波清洗机及超声波清洗微波烘干联合设备的设计。

2.创新点：

（1）开发“舟式”超声波清洗机，采用宽幅非金属PP输送滚轮，避免了金属污染;

（2）硅料单元经四级清洗后，篮筐上位移动往复扫描切水方式，将物料表面残液吹掉，利于干燥。超声波清洗机清洗后风切切水，除水率达到98%左右，需采用热风风切，温度控制在80℃-100℃。

（3）弱酸清洗。

经过纯水槽清洗后的硅料单元自动移位至酸洗槽，进入槽内弱酸清洗，所述弱酸可以为HNO3或HF或HNO3和HF混合酸，其浓度在0～5%，进行低浓度酸清洗。

（4）纯水系统的逆向溢流方式。

料蓝进入超声波浸泡精洗脱脂可以清除物料表面酸残液及杂质，通过高精度的过滤循环系统及漂洗时逆向溢流方式（储液槽配有100目粗过滤网框，槽内设置两道高低隔板沉淀过滤，再由喷淋泵抽启净液箱经过滤器后进入腔体）冲洗储液槽不停注入新的纯水，達到高效的物料清洗效果;

（5）超声波清洗-微波烘干设备联合的设计。

真空微波技术降低产品表面水份的沸点，降低物料出料时温度，缩短冷却时间;微波加热可以对各类含水粉状、颗粒状、片状、条状、板状、小型坯件等无规则物料进行烘干。30kw微波可以穿透颗粒状堆积量高度在70-90 mm产品。微波技术烘干对具有小缝隙、小尺寸的产品烘干效果较好。

3.关键技术：

（1）设计制造一台符合生产要求设备：一种“舟式”超声波清洗-通道式微波烘干设备。

（2）有机物、表面金属离子的去除的设计。

（3）纯水系统的逆向溢流方式。

（4）超声波清洗-微波烘干设备联合的设计。

（5）真空微波处理光伏产品的设计。

4.技术路线：

（1）实施内容：进行设备具体参数优化，根据产能、现场场地、清洗烘干能力进行确切核算、设计符合的需求的超声波清洗微波加热烘干设备。

（2）工艺流程：手动上料→预清洗→XX去除→超声波清洗→弱酸→超声波清洗→超声波清洗→出料→进入真空微波干燥→冷却出料。

三、“舟式”超声波清洗-隧道式微波烘干技术清洗效果

1.对尺寸不规则多晶硅正品料进行超声清洗、微波烘干，物料连续生产，100%烘干效果，物料表面无水，含水率在0.01%。

2.对表面、裂纹、孔洞等菜花料超声清洗、微波烘干，100%烘干效果，物料表面裂纹、孔洞无水，含水率在0.01% 。

3.每月600吨，30天/月，有效工作时间14小时/天。

四、微波烘干技术特点：

1.加热均匀迅速、热效率高。目前的的加热方法是利用物质的传热系数，从外到内进行热量传递，而微波则对含水物质内外同时作用。因此加热均匀迅速，节省能源与处理时间。

因为多晶硅在微波场中“内外同热”，碎料间缝隙或菜花空隙内部的水分很快达到沸点，发生高强度蒸发，物料的质构阻碍水分流动，故在碎料间缝隙或菜花空隙內部形成压力梯度，由于“内外同热”表面热量易散失，碎料间缝隙或菜花空隙内部形成正的温度梯度和湿度梯度，三种状态均能促使水分以液态、汽态或分子流的形式向多晶硅表面移动。大大提高降速干燥阶段的干燥速度，使很难干燥的碎料或菜花能快速得到均匀的干燥。

2.不引入二次污染。目前通过表金属实验证实，现在通过石英加热管加热给多晶硅物料热风烘干，在风机、气体等作用下引入二次污染，表金属增加13%左右。而通过微波加热对多晶硅无外界物资引入。

3.由于微波能穿透一定厚度的物质进行处理，微波干燥的效率是传统方法的几倍至几十倍。与此同时，它不破多晶硅原有的物理化学性质。

4.节能高效。由于含有水分的物质极易直接吸收微波而发热，没有经过其他中间转换环节，因此除少量的传输损耗外几乎无其他损耗。比一般常规加热省电约30%～50% 。

参考文献：

[1] 王小东，超声波清洗工艺简介，江西光学仪器，2000（1）

[2] 李晟;韦东才， 隧道式微波干燥灭菌机， 申请号：02229935.1， 2002年03月

[3] 王家宝，超声波清洗工艺的原理及应用，柴油机设计与制造，2006年，第4期第14卷