高效柔性單晶硅薄膜太陽(yáng)能電池的納米制造項(xiàng)目摘要

單晶硅薄膜太陽(yáng)能電池由于其相對(duì)較低的材料成本且能夠保持傳統(tǒng)硅太陽(yáng)能板的高性能等特點(diǎn)，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(yáng)能電池的超薄形態(tài)有益于其力學(xué)柔性，可以提高太陽(yáng)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(yáng)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?cè)诒卷?xiàng)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(yáng)能電池的構(gòu)想和實(shí)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(xiàng)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(gè)研究重點(diǎn)。本項(xiàng)目的成功實(shí)施，不僅能在理論和試驗(yàn)上產(chǎn)生原始創(chuàng)新的新成果，而且能得到擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新型太陽(yáng)能電池。

單晶硅薄膜太陽(yáng)能電池由于其相對(duì)較低的材料成本且能夠保持傳統(tǒng)硅太陽(yáng)能板的高性能等特點(diǎn)，在未來的新能源開發(fā)中將發(fā)揮重要的作用。薄膜太陽(yáng)能電池的形態(tài)且可以實(shí)現(xiàn)其力學(xué)柔性，從而提高太陽(yáng)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(yáng)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(xiàng)目針對(duì)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(duì)于單晶硅薄膜太陽(yáng)能電池的光吸收增強(qiáng)作用、單晶硅薄膜太陽(yáng)能電池中各種基元的組裝、力學(xué)設(shè)計(jì)與加工等三個(gè)方面開展了系統(tǒng)工作。經(jīng)過三年的執(zhí)行，本項(xiàng)目組已經(jīng)在硅太陽(yáng)能電池加工及表面等離激元增強(qiáng)太陽(yáng)能電池性能方面取得了階段性進(jìn)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(xiàng)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(shí)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(duì)于硅太陽(yáng)能電池的效應(yīng)，初步完成了單晶硅薄膜太陽(yáng)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(guó)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(guó)科學(xué)院院長(zhǎng)特別獎(jiǎng)）。 2100433B

柔性制造系統(tǒng)的類型

柔性制造是指在計(jì)算機(jī)支持下，能適應(yīng)加工對(duì)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(tái)或數(shù)臺(tái)數(shù)控機(jī)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(dòng)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(jiǎn)單，加工工時(shí)較長(zhǎng)，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(jī)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(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，能在不停機(jī)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(dòng)生產(chǎn)線

柔性自動(dòng)生產(chǎn)線是把多臺(tái)可以調(diào)整的機(jī)床(多為專用機(jī)床)聯(lián)結(jié)起來，配以自動(dòng)運(yùn)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(dòng)生產(chǎn)線，在性能上接近大批量生產(chǎn)用的自動(dòng)生產(chǎn)線；柔性程度高的柔性自動(dòng)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(jī)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(dòng)加工系統(tǒng)

自動(dòng)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(tái)或數(shù)臺(tái)數(shù)控機(jī)床或?qū)Ｓ脵C(jī)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(yùn)輸裝置構(gòu)成，如傳送帶、軌道一轉(zhuǎn)盤以及機(jī)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(duì)加工和運(yùn)輸過程中所需各種信息收集、處理、反饋，并通過電子計(jì)算機(jī)或其他控制裝置(液壓、氣壓裝置等)，對(duì)機(jī)床或運(yùn)輸設(shè)備實(shí)行分級(jí)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(jì)算機(jī)進(jìn)行有效管理的必不可少的組成部分。它包括設(shè)計(jì)、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(diǎn)

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

第一，設(shè)備利用率高。一組機(jī)床編入柔性制造系統(tǒng)后，產(chǎn)量比這組機(jī)床在分散單機(jī)作業(yè)時(shí)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(duì)穩(wěn)定。自動(dòng)加工系統(tǒng)由一自或多臺(tái)機(jī)床組成，發(fā)生故障時(shí)，有降級(jí)運(yùn)轉(zhuǎn)的能力，物料傳送系統(tǒng)也有自行繞過故障機(jī)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(yùn)行靈活。有些柔性制造系統(tǒng)的檢驗(yàn)、裝卡和維護(hù)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(yùn)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(yùn)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(chǎng)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(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局把FMS定義為：“由一個(gè)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(dòng)化。中央計(jì)算機(jī)控制機(jī)床和傳輸系統(tǒng)，柔性制造系統(tǒng)有時(shí)可同時(shí)加工幾種不同的零件。 國(guó)際生產(chǎn)工程研究協(xié)會(huì)指出“柔性制造系統(tǒng)是一個(gè)自動(dòng)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(jì)時(shí)所考慮的產(chǎn)品族的限制?！倍覈?guó)國(guó)家軍用標(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(yùn)儲(chǔ)裝置和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)組成的自動(dòng)化制造系統(tǒng)，它包括多個(gè)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(jìn)行調(diào)整，適用于多品種、中小批量生產(chǎn)?！焙?jiǎn)單地說，F(xiàn)MS是由若干數(shù)控設(shè)備、物料運(yùn)貯裝置和計(jì)算機(jī)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(jìn)行調(diào)整的自動(dòng)化制造系統(tǒng) 。

柔性制造組成

常見的組成通常包括4臺(tái)或更多臺(tái)全自動(dòng)數(shù)控機(jī)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(yùn)系統(tǒng)連接起來，可在不停機(jī)的情況下實(shí)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(shí)施的“智能制造系統(tǒng)”(IMS)國(guó)際性開發(fā)項(xiàng)目，屬于第二代FMS;而真正完善的第二代FMS預(yù)計(jì)本世紀(jì)十年代后才會(huì)實(shí)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(gè)規(guī)模最小的FMS，是FMS向廉價(jià)化及小型化方向發(fā)展的一種產(chǎn)物，它是由1～2臺(tái)加工中心、工業(yè)機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床及物料運(yùn)送存貯設(shè)備構(gòu)成，其特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)單機(jī)柔性化及自動(dòng)化，具有適應(yīng)加工多品種產(chǎn)品的靈活性。迄今已進(jìn)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(dòng)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(jī)床;亦可采用專用機(jī)床或NC專用機(jī)床，對(duì)物料搬運(yùn)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(diǎn)是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線柔性化及自動(dòng)化，其技術(shù)已日臻成熟，迄今已進(jìn)入實(shí)用化階段。

柔性制造FMF

FMF是將多條FMS連接起來，配以自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)，用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)系，采用從訂貨、設(shè)計(jì)、加工、裝配、檢驗(yàn)、運(yùn)送至發(fā)貨的完整FMS。它包括了CAD/CAM，并使計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS)投入實(shí)際，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)系統(tǒng)柔性化及自動(dòng)化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)全廠范圍的生產(chǎn)管理、產(chǎn)品加工及物料貯運(yùn)進(jìn)程的全盤化。FMF是自動(dòng)化生產(chǎn)的最高水平，反映出世界上最先進(jìn)的自動(dòng)化應(yīng)用技術(shù)。它是將制造、產(chǎn)品開發(fā)及經(jīng)營(yíng)管理的自動(dòng)化連成一個(gè)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(diǎn)是實(shí)現(xiàn)工廠柔性化及自動(dòng)化。