高效柔性單晶硅薄膜太陽能電池的納米制造結(jié)題摘要

單晶硅薄膜太陽能電池由于其相對較低的材料成本且能夠保持傳統(tǒng)硅太陽能板的高性能等特點，在未來的新能源開發(fā)中將發(fā)揮重要的作用。薄膜太陽能電池的形態(tài)且可以實現(xiàn)其力學(xué)柔性，從而提高太陽能電池的便攜性、可靠性和多功能性等。近年來，單晶硅薄膜太陽能電池的開發(fā)在微納加工手段、光吸收效率等方面依然具有挑戰(zhàn)性。本項目針對該挑戰(zhàn)，在研究單晶硅的超薄微納結(jié)構(gòu)的加工制造與轉(zhuǎn)印過程、金屬納米結(jié)構(gòu)對于單晶硅薄膜太陽能電池的光吸收增強作用、單晶硅薄膜太陽能電池中各種基元的組裝、力學(xué)設(shè)計與加工等三個方面開展了系統(tǒng)工作。經(jīng)過三年的執(zhí)行，本項目組已經(jīng)在硅太陽能電池加工及表面等離激元增強太陽能電池性能方面取得了階段性進展，并產(chǎn)生了許多未預(yù)期的新成果，輻射到其他一些領(lǐng)域（如光催化）。特別的是，項目組通過傳統(tǒng)半導(dǎo)體加工工藝和濕化學(xué)法相結(jié)合，實現(xiàn)了單晶硅超薄微納結(jié)構(gòu)的加工與轉(zhuǎn)印，發(fā)展了金屬納米結(jié)構(gòu)的制造方法，初步了解了其表面等離激元特性對于硅太陽能電池的效應(yīng)，初步完成了單晶硅薄膜太陽能電池中各種基元的組裝。部分結(jié)果已在Angew. Chem. Int. Ed.（3篇）、J. Am. Chem. Soc.（1篇）、Chem. Soc. Rev.（1篇）、Nanoscale（1篇）、Small（1篇）和Nano Res.（1篇）等國際重要期刊上發(fā)表通訊作者論文10篇，3篇論文刊登在期刊內(nèi)外封面封底上。正在培養(yǎng)博士生3名、碩士生3名和博士后1名，已畢業(yè)博士生2名（1名獲中國科學(xué)院院長特別獎）。 2100433B

單晶硅薄膜太陽能電池由于其相對較低的材料成本且能夠保持傳統(tǒng)硅太陽能板的高性能等特點，在未來的新能源開發(fā)中將發(fā)揮重要的作用。并且薄膜太陽能電池的超薄形態(tài)有益于其力學(xué)柔性，可以提高太陽能電池的便攜性、可靠性和多功能性等。近年來，單晶硅薄膜太陽能電池的開發(fā)在微納加工手段、光吸收效率等方面依然具有挑戰(zhàn)性。為了開拓其應(yīng)用前景，我們在本項目中提出了通過批量化、低成本的微納加工技術(shù)裁剪傳統(tǒng)單晶硅晶片及轉(zhuǎn)印制得的超薄單晶硅微納結(jié)構(gòu)來制造柔性單晶硅薄膜太陽能電池的構(gòu)想和實施方案。在此基礎(chǔ)上，我們將采用新的納米制造技術(shù)制得具有高度一致性的金屬納米結(jié)構(gòu)，利用其表面等離子體特性改善器件的光吸收效率并提高其整體轉(zhuǎn)換效率。在本項目中，跨尺度的微納制造以及微納結(jié)構(gòu)與器件的性能性能演變規(guī)律將為兩個研究重點。本項目的成功實施，不僅能在理論和試驗上產(chǎn)生原始創(chuàng)新的新成果，而且能得到擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的新型太陽能電池。

柔性制造系統(tǒng)的類型

柔性制造是指在計算機支持下，能適應(yīng)加工對象變化的制造系統(tǒng)。柔性制造系統(tǒng)有以下三種類型：

柔性制造單元

柔性制造單元由一臺或數(shù)臺數(shù)控機床或加工中心構(gòu)成的加工單元。該單元根據(jù)需要可以自動更換刀具和夾具，加工不同的工件。柔性制造單元適合加工形狀復(fù)雜，加工工序簡單，加工工時較長，批量小的零件。它有較大的設(shè)備柔性，但人員和加工柔性低。

柔性制造系統(tǒng)

柔性制造系統(tǒng)是以數(shù)控機床或加工中心為基礎(chǔ)，配以物料傳送裝置組成的生產(chǎn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)由電子計算機實現(xiàn)自動控制，能在不停機的情況下，滿足多品種的加工。柔性制造系統(tǒng)適合加工形狀復(fù)雜，加工工序多，批量大的零件。其加工和物料傳送柔性大，但人員柔性仍然較低。

柔性自動生產(chǎn)線

柔性自動生產(chǎn)線是把多臺可以調(diào)整的機床(多為專用機床)聯(lián)結(jié)起來，配以自動運送裝置組成的生產(chǎn)線。該生產(chǎn)線可以加工批量較大的不同規(guī)格零件。柔性程度低的柔性自動生產(chǎn)線，在性能上接近大批量生產(chǎn)用的自動生產(chǎn)線；柔性程度高的柔性自動生產(chǎn)線，則接近于小批量、多品種生產(chǎn)用的柔性制造系統(tǒng)。

柔性制造系統(tǒng)的構(gòu)成

就機械制造業(yè)的柔性制造系統(tǒng)而言，其基本組成部分有：

自動加工系統(tǒng)

自動加工系統(tǒng)，指以成組技術(shù)為基礎(chǔ)，把外形尺寸(形狀不必完全一致)、重量大致相似，材料相同，工藝相似的零件集中在一臺或數(shù)臺數(shù)控機床或?qū)Ｓ脵C床等設(shè)備上加工的系統(tǒng)。

物流系統(tǒng)

物流系統(tǒng)，指由多種運輸裝置構(gòu)成，如傳送帶、軌道一轉(zhuǎn)盤以及機械手等，完成工件、刀具等的供給與傳送的系統(tǒng)，它是柔性制造系統(tǒng)主要的組成部分。

信息系統(tǒng)

信息系統(tǒng)，指對加工和運輸過程中所需各種信息收集、處理、反饋，并通過電子計算機或其他控制裝置(液壓、氣壓裝置等)，對機床或運輸設(shè)備實行分級控制的系統(tǒng)。

軟件系統(tǒng)

軟件系統(tǒng)，指保證柔性制造系統(tǒng)用電子計算機進行有效管理的必不可少的組成部分。它包括設(shè)計、規(guī)劃、生產(chǎn)控制和系統(tǒng)監(jiān)督等軟件。柔性制造系統(tǒng)適合于年產(chǎn)量1000～100,000件之間的中小批量生產(chǎn)。

柔性制造系統(tǒng)的優(yōu)點

柔性制造系統(tǒng)是一種技術(shù)復(fù)雜、高度自動化的系統(tǒng)，它將微電子學(xué)、計算機和系統(tǒng)工程等技術(shù)有機地結(jié)合起來，理想和圓滿地解決了機械制造高自動化與高柔性化之間的矛盾。具體優(yōu)點如下。

第一，設(shè)備利用率高。一組機床編入柔性制造系統(tǒng)后，產(chǎn)量比這組機床在分散單機作業(yè)時的產(chǎn)量提高數(shù)倍。

第二，再制品減少80%左右。

第三，生產(chǎn)能力相對穩(wěn)定。自動加工系統(tǒng)由一自或多臺機床組成，發(fā)生故障時，有降級運轉(zhuǎn)的能力，物料傳送系統(tǒng)也有自行繞過故障機床的能力。

第四，產(chǎn)品質(zhì)量高。零件在加工過程中，裝卸一次完成，加工精度嵩，加工形式穩(wěn)定。

第五，運行靈活。有些柔性制造系統(tǒng)的檢驗、裝卡和維護工作可在第一班完成，第二、第三班可在無人照看下正常生產(chǎn)。在理想的柔性制造系統(tǒng)中，其監(jiān)控系統(tǒng)還能處理諸如刀具的磨損調(diào)換、物流的堵塞疏通等運行過程中不可預(yù)料的問題。

第六，產(chǎn)品應(yīng)變能力大。刀具、夾具及物料運輸裝置具有可調(diào)性，且系統(tǒng)平面布置合理，便于增減設(shè)備，滿足市場需要。

柔性制造定義

柔性制造系統(tǒng)(FMS)

關(guān)于柔性制造系統(tǒng)的定義很多，權(quán)威性的定義有:

美國國家標(biāo)準(zhǔn)局把FMS定義為：“由一個傳輸系統(tǒng)聯(lián)系起來的一些設(shè)備，傳輸裝置把工件放在其他聯(lián)結(jié)裝置上送到各加工設(shè)備，使工件加工準(zhǔn)確、迅速和自動化。中央計算機控制機床和傳輸系統(tǒng)，柔性制造系統(tǒng)有時可同時加工幾種不同的零件。 國際生產(chǎn)工程研究協(xié)會指出“柔性制造系統(tǒng)是一個自動化的生產(chǎn)制造系統(tǒng)，在最少人的干預(yù)下，能夠生產(chǎn)任何范圍的產(chǎn)品族，系統(tǒng)的柔性通常受到系統(tǒng)設(shè)計時所考慮的產(chǎn)品族的限制?！倍覈鴩臆娪脴?biāo)準(zhǔn)則定義為“柔性制造系統(tǒng)是由數(shù)控加工設(shè)備、物料運儲裝置和計算機控制系統(tǒng)組成的自動化制造系統(tǒng)，它包括多個柔性制造單元，能根據(jù)制造任務(wù)或生產(chǎn)環(huán)境的變化迅速進行調(diào)整，適用于多品種、中小批量生產(chǎn)?！焙唵蔚卣f，F(xiàn)MS是由若干數(shù)控設(shè)備、物料運貯裝置和計算機控制系統(tǒng)組成的并能根據(jù)制造任務(wù)和生產(chǎn)品種變化而迅速進行調(diào)整的自動化制造系統(tǒng) 。

柔性制造組成

常見的組成通常包括4臺或更多臺全自動數(shù)控機床(加工中心與車削中心等)，由集中的控制系統(tǒng)及物料搬運系統(tǒng)連接起來，可在不停機的情況下實現(xiàn)多品種、中小批量的加工及管理。反映工廠整體水平的FMS是第一代FMS，日本從1991年開始實施的“智能制造系統(tǒng)”(IMS)國際性開發(fā)項目，屬于第二代FMS;而真正完善的第二代FMS預(yù)計本世紀(jì)十年代后才會實現(xiàn)。

柔性制造FMC

FMC的問世并在生產(chǎn)中使用約比FMS晚6～8年，F(xiàn)MC可視為一個規(guī)模最小的FMS，是FMS向廉價化及小型化方向發(fā)展的一種產(chǎn)物，它是由1～2臺加工中心、工業(yè)機器人、數(shù)控機床及物料運送存貯設(shè)備構(gòu)成，其特點是實現(xiàn)單機柔性化及自動化，具有適應(yīng)加工多品種產(chǎn)品的靈活性。迄今已進入普及應(yīng)用階段。

柔性制造FML

它是處于單一或少品種大批量非柔性自動線與中小批量多品種FMS之間的生產(chǎn)線。其加工設(shè)備可以是通用的加工中心、CNC機床;亦可采用專用機床或NC專用機床，對物料搬運系統(tǒng)柔性的要求低于FMS，但生產(chǎn)率更高。它是以離散型生產(chǎn)中的柔性制造系統(tǒng)和連續(xù)生過程中的分散型控制系統(tǒng)(DCS)為代表，其特點是實現(xiàn)生產(chǎn)線柔性化及自動化，其技術(shù)已日臻成熟，迄今已進入實用化階段。

柔性制造FMF

FMF是將多條FMS連接起來，配以自動化立體倉庫，用計算機系統(tǒng)進行聯(lián)系，采用從訂貨、設(shè)計、加工、裝配、檢驗、運送至發(fā)貨的完整FMS。它包括了CAD/CAM，并使計算機集成制造系統(tǒng)(CIMS)投入實際，實現(xiàn)生產(chǎn)系統(tǒng)柔性化及自動化，進而實現(xiàn)全廠范圍的生產(chǎn)管理、產(chǎn)品加工及物料貯運進程的全盤化。FMF是自動化生產(chǎn)的最高水平，反映出世界上最先進的自動化應(yīng)用技術(shù)。它是將制造、產(chǎn)品開發(fā)及經(jīng)營管理的自動化連成一個整體，以信息流控制物質(zhì)流的智能制造系統(tǒng)(IMS)為代表，其特點是實現(xiàn)工廠柔性化及自動化。