非晶硅薄膜太阳能电池生产的环境影响分析

科技信息0.前言薄膜太阳能电池是在廉价的玻璃 、 不锈钢或塑料衬底上附上厚度只有几微米的感光材料制成 。 与硅基太阳能电池相比 ， 薄膜太阳能电池具有用材少 、 重量轻 、 外表光滑 、 安装方便等 优 点 ， 但 转 换 效 率 相 对 较低 。 目前已商业化的薄膜太阳能电池材料有三种 非晶硅 （ a- Si） 、 铜铟硒 （ CIS， CIGS） 和碲化镉 （ CdTe） 。非晶硅薄膜太阳能电池具有相对低成本和抗紫外辐射 、 轻便 、 灵活 、 柔性等特点 ， 被认为是最有发展潜力的新型太阳能电池 。目前 ， 多晶硅太阳能电池生产过程中的环境影响是分析讨论的热点之一 ， 而从环境影响的角度分析非晶硅太阳能电池生产还未见报道 。笔者根据江西省多家太阳能电池企业生产线的环境影响评价的实践 ，以年产 72MW 非晶硅薄膜太阳能电池生产线为例 ， 系统分析了非晶硅薄膜太阳能光伏组件的工艺过程及其对环境的影响 。1.生产工艺简介1.1 原辅材料用量采用 PECVD（ 等离子体增强化学气相沉积 ） 工艺生产非晶硅太阳能电池的原辅材料用量见表 1。表 1 主要原辅材料消耗量1.2 工艺流程简述该工艺采用硅烷等离子体分解法 ， 将硅烷 （ 掺杂少量的乙硼烷或磷化氢等气体 ） 在导电玻璃上低温成膜 ， 通过磁控溅射制作铝电极连接背电极 。 最后 ， 用防护玻璃罩密封 EVA 箔形成太阳能电池组件 。 主要有如下几个工序组成 （ 1） 导电玻璃清洗将外购的标准透明导电玻璃板和玻璃背板放入专用清洗机进行自动清洗 。 清洗液为电阻率 10MΩ 以上的去离子纯水 。（ 2） 导电玻璃划线根据生产线预定的线距 ， 用专用激光划线机对透明导电玻璃板进行激光划线 （ 刻蚀 ） ， 将透明导电玻璃板上的透明导电层划线分割 ， 目的是将整板分为若干块 ， 作为若干个单体电池的电极 。（ 3） PECVD将清洗洁净的 SnO2 透明导电玻璃装入 “ 沉积夹具 ”， 推入烘炉进行预热 。 预热后将其转移入 PECVD 沉积炉 ， 进行 pin/pin 沉积 。其基本原理是利用硅烷 （ SiH 4） 在低温等离子的作用下分解产生非晶硅 （ a- Si） ， 具体反应式为 SiH4Si2H 2实际反应时 ， 首先将反应室预抽成真空状态 ， 然后将用 H2 或 Ar 稀释的 SiH 4 通入反应室 ， 调节各种气体的流量 ， 使反应室在一定压力 ， 然后在正 、 负极之间加上电压 ， 由阴极发射出电子 ， 并在电场中得到能量后碰撞反应室内的气体分子或原子 ， 使之分解 、 激发或电离 ， 形成等离子体 。 最终分解的硅原子在衬底上沉积 ， 形成非晶硅薄膜 。为了获得 n 型的非晶硅 ， 在反应时通入磷烷 （ PH3） ， 在硅烷分解时 ，磷烷分解达到磷掺杂的目的 ， 可能的方程式为 2PH32P3H 2同样地 ， 要获得 p 型的非晶硅 ， 只需通入硼烷 （ B2H6） ， 可能 的 方 程式为 B2H62B3H 2（ 4） 绿激光刻划 a- Si 膜根据生产预定的线宽以及与 SnO2 切割线的线间距 ， 用绿激光将a- Si 膜刻划穿 ， 目的是让背电极 （ 金属铝 ） 通过与前电极 （ SnO2 导电膜 ）相联接 ， 实现整板由若干个单体电池内部串联而成 。（ 5） 溅射镀铝镀铝的目的是形成电池的背电极 ， 以增加太阳能电池对光的吸收 。在真空反应室中放镀膜所需的金属构成的靶材 ， 并将靶材接地 ； 然后将氩气充入反应室内 ， 电离成电荷 。 带正电荷的氩离子被不带电的靶材吸引 ， 加速冲向靶 。 在加速过程中这些离子受到引力作用 ， 获得动量 ，轰击靶材 。 这样一来 ， 靶材中的原子或分子就会散布在反应室中 ， 其中一部分渐渐地停落在产品表面 。（ 6） 绿激光刻铝根据预定的线宽以及与 a-Si 切割线的线间距 ， 用绿激光将铝膜刻划成相互独立的部分 ， 目的是将整个铝膜分成若干个单体电池的背电极 ， 进而实现整板若干个电池的内部串联 。（ 7） IV 测试通过上述各道工序 ， 非晶硅电池芯板已形成 ， 需进行 IV 测试 ， 以获得电池板的各个性能参数 ， 来判断某道工序是否出现问题 ， 便于提高电池的质量 。上述工序为非晶硅薄膜太阳能电池芯片生产工序 ， 下述工序为电池封装工序 。（ 8） 焊接正面焊接 是将汇流带焊接到电池正面 （ 负极 ） 的主栅线上 ， 汇流带为镀锡的铜带 ， 焊接机可以将焊带以多点的形式点焊在主栅线上 。背面串接 将 36 片电池串接在一起形成一个组件串 ， 不同规格的组件使用不同的模板 ， 将 “ 前面电池 ” 的正面电极 （ 负极 ） 焊接到 “ 后面电池 ” 的背面电极 （ 正极 ） 上 ， 这样依次将 36 片串接在一起并在组件串的正负极焊接出引线 。（ 9） 层压 背面串接好且经过检验合格后 ， 将组件串 、 玻璃和切割好的 EVA 、 玻璃纤维 、 背板按照一定的层次敷设好 ， 放入层压机内 ， 通过抽真空将组件内的空气抽出 ， 然后加热使 EVA 熔化将电池芯片 、 玻璃和背板粘接在一起 ； 最后冷却取出组件 。 层压工艺是组件生产的关键一步 ， 层压温度 、 层压时间根据 EVA 的性质决定 。（ 10） 修边装框 层压时 EVA 熔化后由于压力而向外延伸固化形成毛边 ， 所以层压完毕应将其切除 。 给玻璃组件装铝框 ， 增加组件的强度 ，进一步的密封电池组件 ， 延长电池的使用寿命 。（ 11） 焊接接线盒 在组件背面引线处焊接一个盒子 ， 以利于电池与其他设备或电池间的连接 。（ 12） 检测高压测试 高压测试是指在组件边框和电极引线间施加一定的电压 ， 测试组件的耐压性和绝缘强度 ， 以保证组件在恶劣的自然条件 （ 雷击等 ） 下不被损坏 。组件测试 测试的目的是对电池的输出功率进行标定 ， 测试其输出特性 ， 确定组件的质量等级 。1.3 各工序产生的污染物非晶硅薄膜太阳能电池生产的环境影响分析江西省环境保护科学研究院 田明明 毛龙满 张志杰 陈小兰 杨励君［ 摘 要 ］ 本文通过对 PECVD 工艺生产非晶硅薄膜太阳能电池的介绍 ， 分析了非晶硅薄膜太阳能电池生产过程中的产污节点及其对环境的影响 ， 提出了减缓环境影响的措施 。 非晶硅薄膜太阳能电池生产过程产生的污染主要为 PECVD 工艺尾气 ， 通过采用国际先进的治理措施 ， 可有效地降低对周围环境的影响 。［ 关键词 ］ PECVD 非晶硅薄膜太阳能电池 环境影响分析序号 材料 指标和规格 单位 每组件用量1 氩气 5.0（ 99.999 ） 公升 2.22 液氮 （ LN 2） 5.0（ 99.999 ） 公升 0.83 氮气 5.0（ 99.999 ） m3 0.24 氮气 （ LN 2 中提取 ） 5.0（ 99.999 ） 公升 0.445 氢气 （ H2） 5.6（ 99.9996 ） 公升 2.26 氦气 （ He） 4.6（ 99.996 ） 公升 0.17 硅烷 （ SiH 4） 4.0（ 99.99） kg 0.00268 硅烷中 3的乙硼烷 硅烷 （ SiH 4） 4.0 公升 0.119 氩气中 3磷烷 （ PH3） Ar（ 5.0） 公升 0.11工程技术316 科技信息工艺流程及产污节点见图 1。图 1 非晶硅太阳能组件生产工艺及产污环节图1.4 水平衡图 2 水平衡图工艺用水主要有导电玻璃清洗用水 、 空调和设备冷却系统用水 、 常温冷却系统用水等 。工程设计中设置纯水清洗后的回用系统 ， 将冲洗过程中较为清洁的水回收利用 。 即收集清洗工艺排放的纯水 ， 经水质检测电导率及 TOC值后 ， 合格水经活性碳吸附后 ， 回收至纯水系统再利用 ， 检测不合格的回收水则排放至回用水池 ， 排入废水处理站统一处理 。导电玻璃清洗废水经生产废水处理站处理达标后外排 。 纯水制备产生的 RO 浓水 、 冷却系统排水仅含盐量有所提高 ， 符合 污水综合排放标准 （ GB8978- 1996） 的一级标准后外排 。2. 环境影响分析2.1 环境空气影响分析PECVD 工艺尾气中的主要污染物为 H 2、 N2 及少量没有完全参与反应的特种气体 （ SiH4、 PH3、 B2H 6 等 ） ， 这些气体 都 极 易 燃 烧 ， 经 工 艺 尾 气燃烧处理装置 （ 干式尾气处理装置 ） 处理 。 燃烧产物为 P2O5、 B2O3、 H2O 等气体和 SiO2 粉尘 ， 燃烧时添加天然气为辅助燃料 ， 主要反应如下 2H 2O2→ 2H2OB2H63O2→ B2O33H 2O2PH34O 2→ P2O53H 2OSiH 42O2→ SiO22H 2O燃烧后的废气 （ 含有微量的 SiH 4、 PH3、 B 2H6 等特殊气体 ， P2O5、 B2O3 经空气冷却系统冷却后为颗粒物 ） 用袋式过滤器处理 ， 处理后的废气经15m 高排气筒排放 。 PECVD 工艺尾气产排状况见表 2。表 2 PECVD 工艺尾气污染物产排状况因 该 工 艺 排 放 的 特 殊 污 染 物 硅 烷 和 硼 烷 均 为 恶 臭 污 染 物 。 根 据预 测 ， 硅 烷 最 大 落 地 浓 度 为 0.09769 μ g/m3 ， 硼 烷 最 大 落 地 浓 度 为0.007427μ g/m3。参照日本 恶臭防止法 ， 臭气的强度被认为是衡量其危害程度的尺度 ， 共分为 6 个等级 ， 见表 3。表 3 臭气强度表示方法另外 ， 臭气强度与其浓度的有关 ， 恶臭防止法 将两者结合起来确定臭气强度的限制标准值 。 采用归纳法计算得出的数据表明 ， 恶臭的浓度和强度的关系符合韦伯定律 Yklg（ 22.4 X/M r） α式中 Y 臭气强度 （ 平均值 ） ；X 恶臭的质量浓度 ， mg/m3；k、 α 常数 ；Mr 恶臭污染物的相对分子质量 。类比臭气强度最大的甲硫醇 ， 其浓度与强度的关系式为 Y1.25lg（ 22.4 X/M r） 5.99 。将硅烷的最大落地浓度代入公式 ， 得臭气强度 Y0.782 ； 将硼烷的最大落地浓度代入公式 ， 得臭气强度 Y0 。 臭气强度介于 0- 1 之间 。 因此 ， PECVD 工艺尾气排放的硅烷和硼烷对周围环境影响较小 。2.2 水环境影响分析生产废水排放量较小 ， 主要污染物为 pH 、 COD 和 SS 等常规污染因子 ， 采用中和 ， 沉淀等工艺处理后即可达标排放 ， 对地表水环境影响较小 。2.3 声环境影响分析非晶硅太阳能光伏组件生产线主要噪声源为空压机 、 空调机组 、 水泵等机械设备噪声 ， 噪声级在 7090dB（ A） 之间 。 首先 ， 应优先选用低噪音设备 ； 其次 ， 采用隔声 、 隔振 、 消声 、 吸声以及烟气量（ Nm3/h）污染物名称产生状况 排放状况mg/Nm3 kg/h t/a mg/Nm3 kg/h t/a7200粉尘 1.61 0.012 0.083 0.016 0.0001 0.00083SiH 4 0.72 0.0052 0.037 0.072 0.00052 0.0037PH 3 0.047 0.0003 0.0024 0.0047 0.00003 0.00024B2H6 0.047 0.0003 0.0024 0.0047 0.00003 0.00024臭气强度 （ 级 ） 0 1 2 3 4 5表示方法 无臭勉强可感觉出的气味（ 检测阈值 ）稍可感觉出的气味（ 认定阈值 ）易感觉出的气味较强的气味（ 强臭 ）强烈的气味（ 剧臭 ）（ 下转第 319 页 ）工程技术317 科技信息阻尼等措施降噪 。 采取这些措施后 ， 噪声可以降低 1020dB（ A） ， 满足相应的噪声排放标准 ， 对环境影响较小 。2.4 固体废物影响分析产生的废背板玻璃 、 废 EVA 塑胶片边角料和废铝靶材均由厂家回收 ； 废刀具 、 废手套废鞋套和废包装材料由废品公司回收 ； 废水处理站污泥和收尘灰卫生填埋处置 。废矿物油和报废破损的玻璃类废物 （ 不含废背板玻璃 ） 等危险废物均交由有相应处理资质的单位集中回收或处置 ， 固体废物对环境影响较小 。3.结束语 江西省光伏产业发展规划 中提出 ， 引进工艺技术成熟 、 设备先进的薄膜电池生产项目 ， 积极跟踪非 （ 微 ） 晶硅薄膜电池技术进展 ， 努力发展单位耗能低 、 耗材少 、 效率高的太阳能电池 。 鼓励发展光电转化率国际领先的单晶硅电池 、 多晶硅电池 、 薄膜太阳能电池 。采用 PECVD 工艺生产非晶硅薄膜太阳能电池的特点为 “ 高精技术 、 超洁净度 ”。 与多晶硅太阳能电池相比 ， 在环保方面的优势非常明显 。 本文针对 PECVD 工艺生产非晶硅薄膜太阳能电池的工艺流程及其对环境的影响进行了详细的分析 ， 结合合理的环保治理措施可以做到生产过程中产生的废水 、 废气 、 噪声及固体废物的达标排放 ， 对非晶硅薄膜太阳能电池生产的环境影响评价有一定的借鉴意义 。参考文献［ 1］ 孙海燕 .大型薄膜硅太阳能电池模组大规模生产方案 ［ J］ . 上 海电力 ,2008 年第 3 期［ 2］ 卢志安等 .非晶硅薄膜太阳电池生产简述 ［ J］ . 玻璃 ,2008 年第 12期［ 3］ 李铁 .激光在非晶硅薄膜太阳能电池制造中的应用 ［ J］ . 半导 体行业 ,2009 年第 4 期（ 上接第 317 页 ）油田 井名 组段 层号 水分析资料 Rw（ Ω m） 测井计算 Rw（ Ω m） 相对误差 （ ）台兴兴 7Ef3 台 Ⅳ 2 16- 17 矿化度 23.74g/l Rw0.114 0.123 7.89Ef3Ⅲ 3 10 CL- 9345PPM Rw0.133 0.144 8.27台 9 Ef 3 台 Ⅲ 5 21,22 矿化度 16.02 Rw0.159 0.165 3.77兴北 1 Ef3 2,3 矿化度 26.3g/l Rw0.108 0.115 6.48台 8 Ef 3 台 Ⅲ 4 16 CL- 2818PPM Rw0.31 0.270 12.90减小幅度与含油饱和度有关 ， 经实验可得含油地层的自然电位幅度可表示为 SPSP- 16.17 LogSwk （ 4）将 Sw aRwΦ mRt1n带入 （ 4） 得SP- KLog RmfeRwe- 16.17 Log aRwΦ mRt1n （ 5）再通过自然电位图版 SP- 2 拟合得出 Rw 与 （ Rw） e 关系式 ， 由于温度不同 ， 关系式不一样 ， 假如这一关系为 Rwf[R e] （ 6）式中 SP 含油地层自然电位测量值 ， mVSP 同一地层中 100 含水时的自然电位测量值 ， mVSw 含水饱和度联立 （ 5） 和 （ 6） 可求得 Rwe， 再有 （ 6） 式求得地层水电阻率 Rw。三 、 应用效果分析采用上述方法 ， 用自然电位测井曲线计算了台兴油田 4 口井 、 累计8 层的地层水电阻率 ， 见表 1。 从对比结果可以看出自然电位计算的混合液电阻率和试油分析的水电阻率吻合较好 ， 相对误差在 15 以内 。 说明自然电位计算混合液电阻率能够满足水淹层测井解释需要 。应用实例 图 2 是一口调整井测井曲线图 ， 采用自然电位计算混合液电阻率计算含油饱和度 （ Sw） 和产水率 （ Fw） 值见表 2 。从解释结果可以看出 ， 现测井解释结论与试油结论符合很好 。 图 2 兴 7 井测井曲线图表 1 自然电位计算 Rw 与水分析 Rw 对比表井名 层号 层厚 （ m） Rw（ ） Sww Fww试油情况符合情况油 t/d 水 t/d Fw兴 78 2.1 0.07 51.3 6.6 7.2 无 0 符合10 5.4 0.144 30.5 98.9 无 52.8 100 符合16 8.4 0.123 32.8 95.5 油花 1.6 100 符合表 2 兴 7 井测井解释数据表结论该方法由理论及实验求得 ， 所求混合液的电阻率 （ Rz） 与试水得到的地层水电阻率符合很好 。 并且通过对研究工区调整井处理验证 ， 与试油资料吻合较好 。 而且该方法优点是不用刻意利用标准水层 ， 就可以求出目的层的地层水电阻率 。参考文献［ 1］ 赵培华 .油田开发水淹层测井技术 .北京 石油工业出版社 ， 2003［ 2］ 孙德明 .利用自然电位测井资料求水淹层地层水电阻率 . 测井技术 ， 1992 年第 2 期［ 3］ 谭海芳 ， 师桂祥 .利用自然电位求取混合液电阻率的方法 .WOR LDWELL LOGGING TECHNOLOGY ， 2003 年第 1 期工程技术319