面向下一代超薄光伏组件非传统加工装备设计与制造基础

Ultra-thin photovoltaic modules have unique advantages in the applications of building-integrated photovoltaic (BIPV) and distributed generation, which is an effective way to realize high efficient and low cost utilization of new energy. Manufacturing of ultra-thin photovoltaic modules includes ultra-thin wafers (50-80 μm) and ultra-thin toughened glass (thickness below 1 mm). Industrial manufacturing equipments are still blank at present. Applicants have solved first step of crystal silicon solar cell industry chain--polycrystalline silicon processing and manufacturing equipment, and will to do original researches on manufacturing foundation and method of silicon wafers. Manufacturing of ultra-thin wafers and ultra-thin toughened glass faces extreme high precise control of material state change under high temperature, stress distribution and surface quality. This subject hopes to break through traditional photovoltaic module manufacturing technology, and put forward new principle and new method. Through regulation of temperature gradient, surface tension, stress, pulling speed, dip angle and through optimization of parameters and structures of the suspension system to solve some questions about the processing equipment design and manufacturing foundation of ultra-thin photovoltaic modules. Project research findings will lead to revolution of photovoltaic manufacturing technology, and will provide theory foundation for the design and manufacture of next generation equipment of ultra-thin photovoltaic modules.

超薄光伏组件在光伏一体化建筑、分布式发电等领域有着独特的应用优势，是实现高效、低成本太阳能发电的有效途径。光伏组件要实现超薄，包括两个方面：超薄硅片（厚度50µm—80µm）的制造和超薄玻璃（厚度1mm以下）的钢化。目前国际上尚无可实现超薄硅片和超薄钢化玻璃产业化的制造装备。申请者在解决了晶硅电池产业链第一个环节——多晶硅加工的制造装备的基础上，拟对第二个环节——硅片的制造原理与方法进行原创性研究。超薄硅片和超薄钢化玻璃的制造面临高温物质态转变、应力分布、表面质量等控制精度极高的极端苛刻要求。本课题突破现有传统光伏组件制造技术，提出超薄光伏组件制造的新原理与新方法，通过对温度梯度、表面张力、应力的调控，以及提拉速度、提拉角度和气悬浮的参数与结构优化设计，解决超薄光伏组件加工装备的设计与制造基础问题。项目研究成果将带来光伏制造的革命技术，为下一代超薄光伏组件的制造装备的设计与制造提供理论依据

降低太阳能电池成本的一个重要和直接的途径就是减少材料成本，降低硅片厚度。针对超薄硅片和超薄钢化玻璃制造面临的共性科学技术问题，开展超薄硅片成型制造过程中的热毛细作用机理、热毛细作用辅助横向拉膜方法制造超薄硅片的实验装置、超薄硅片成型及质量控制、超薄玻璃钢化制造过程中多场耦合流体动压理论、多孔介质节流及流体动压调控技术、气浮超薄玻璃钢化实验装置、超薄玻璃钢化工艺参数优化、超薄成型过程中非平衡态体系热动力学及应力调控机制等的研究。应用气-液两相流水平集数值模拟方法，揭示了熔融硅液滴在石墨和坩埚基底由热毛细效应诱发的热毛细迁移规律，并证实了热毛细效应的强弱与表面张力梯度有关。在水平提拉硅片成型制造过程中，熔融硅自由表面处热毛细作用对硅片厚度影响微弱，但在较强热毛细作用下，融区流体速度受热毛细力作用影响较大，从而影响硅片成型。硅片成型过程中三相凝固点的位置与换热量密切相关。建立了小间距射流冲击瞬态换热的物理模型和计算模型，研究发现喷嘴通道和小间距流场内的分布沿高度方向和径向不均匀。应用PIV技术，首次用实验方法直接观测到H/D＜1下的小间距阵列多孔冲击射流的内部流场，揭示了各要素对流场特性的影响规律：利用分子动力学研究了多晶硅微结构形成机理，研究发现籽晶分布和冷却速率对生长结晶对多晶硅的生长及其微观结构有着重要的影响。引入热粘弹性应力松弛理论以及Narayanaswamy的玻璃结构松弛理论，建立平板玻璃钢化的应力模型，结果表明玻璃中心与表面的温差随着玻璃厚度的减薄而变小，玻璃越薄，表面应力值越小。设计和制造的水平提拉硅片成型实验设备主要包括热区、冷区、提拉机构、温度控制和运动控制系统。在气浮式钢化设备中设计了流场内部双向气流的回流系统，解决了钢化过程中换热速率的追求与换热均匀性、表面平整性之间的矛盾，实现了超薄玻璃钢化技术的突破。