金剛石線切割太陽能硅片高效節(jié)能型清洗劑的制備及清洗效果研究*

馬 瑾

（陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710300）

隨著晶硅太陽能電池的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，性能優(yōu)良、穩(wěn)定性好的高質(zhì)量光伏器件越來越受到市場的青睞。硅片作為太陽能電池的核心部件，其表面潔凈度、表面態(tài)等各項(xiàng)性能參數(shù)直接影響太陽能電池的發(fā)電效率。因此，對于高效太陽能電池而言，硅片的表面清潔處理十分關(guān)鍵。

在硅片生產(chǎn)中，切割作為清洗的前道工序，對其后端的清洗工藝有些決定性的影響。隨著切割技術(shù)的發(fā)展，目前90%的硅片切割均采用金剛線切割[1]，新的技術(shù)從降低成本上帶來了明顯的效果，但也帶來了新的清洗問題，與砂線切割相比：污染物復(fù)雜，有機(jī)污染和Cu、Fe、Ni等金屬離子增多，影響制絨效果，白斑片增多，更甚至可能造成硅中少數(shù)載流子的表面壽命、體內(nèi)壽命及有效壽命的降低，使得硅太陽能電池的短路電流密度和開路電壓的降低，光電轉(zhuǎn)化效率隨之降低[2,3]，最終導(dǎo)致器件性能下降，產(chǎn)率降低等一系列問題[4]。

本實(shí)驗(yàn)的目的在于，針對目前市售硅片清洗劑在清洗過程中存在泡沫多、清洗初期堿性過強(qiáng)導(dǎo)致硅片表面發(fā)生過腐蝕現(xiàn)象以及對金屬離子的去除力弱等缺點(diǎn)，研制一種專利產(chǎn)品——光伏太陽能級硅片高效節(jié)能清洗劑[5]，不但可以有效解決上述問題，提高硅片的洗凈率和良品率，而且可以起到降本增效的作用，為制造性能優(yōu)良、穩(wěn)定性好的高質(zhì)量光伏器件奠定基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原材料

烷基酚聚氧乙烯醚，脂肪醇聚氧乙烯醚，以上均為工業(yè)品。KOH，乙二胺，三乙醇胺，二乙烯三胺五乙酸，乙二胺四乙酸二鈉，異丙醇，丙二醇，無水乙醇（C.P.）。

1.2 清洗劑制備方法

（1）將一定量的水和烷基酚聚氧乙烯醚，脂肪醇聚氧乙烯醚混合，在轉(zhuǎn)速 300～500r·min-1攪拌下，多次少量的緩慢加入KOH；

（2）在常溫下將上述溶液繼續(xù)攪拌10～20min，使其充溶解，最后將絡(luò)合劑乙二胺四乙酸二鈉和二乙烯三胺五乙酸其中一種或兩種；腐蝕抑制劑三乙醇胺、乙二胺的一種或兩種，以及助劑異丙醇，依次加入步驟1溶液中，攪拌完全溶解，即得所述試驗(yàn)用清洗劑。

1.3 清洗劑的性能指標(biāo)

（1）外觀：淡黃色液體

（2）密度：1.01；

（3）pH 值：12～13；

（4）使用溫度：30～50℃；

（5）貯存期：室內(nèi)避光存放3年，性質(zhì)穩(wěn)定；

1.4 清洗試驗(yàn)設(shè)備

FCZ-10L太陽能硅片自動清洗機(jī)（上海釜川超聲波科技有限公司）。

1.5 清洗試驗(yàn)流程

1.5 清洗劑的配方試驗(yàn)

從良品率、金屬離子去除率、過腐蝕率等指標(biāo)綜合考慮，最終確定4#為最佳配方。

表1 試驗(yàn)中優(yōu)選的幾組配方Tab.1 Optimization of several formulation in experimental

2 結(jié)果與討論

2.1 組分選擇

2.1.1 表面活性劑的選擇 脂肪醇聚氧乙烯醚（AEO-9）和烷基酚聚氧乙烯醚（OP-10）都屬于非離子表面活性劑，具有滲透力強(qiáng)，不受酸、堿和電解質(zhì)的影響、易生物降解等特點(diǎn)[6]。當(dāng)其以非極性碳?xì)滏溑c固體顆粒表面接觸吸附時，活性分子借助潤濕作用迅速在硅片和顆粒表面鋪展開（如圖1a），隨之滲入到硅片表面與吸附物之間將整個顆粒從硅片表面分離開（如圖1b），并吸附在硅片表面上，最終形成致密的保護(hù)層，防止顆粒二次吸附在新生表面上（如圖 1c）。

圖1 表面活性劑在硅片表面的作用示意圖Fig.1 Schematic diagram of surfactant action on the surface of silicon wafer

2.1.2 螯合劑的選擇 隨著硅片切割技術(shù)的發(fā)展，切割由原來的砂線切割逐漸變成了現(xiàn)在的金剛線切割，隨之帶來的污染中又增添了金屬離子的污染，普通市售清洗劑通常采用單一的乙二胺四乙酸二鈉，價格便宜易獲得，但其對金屬離子的去除力較弱，尤其是Cu、Fe、Ni等金屬離子的去除，而二乙烯三胺五乙酸的絡(luò)合穩(wěn)定常數(shù)比乙二胺四乙酸二鈉的大，形成的絡(luò)合物更穩(wěn)定。換言之，去除能力更強(qiáng)、效果更好，可提高金屬離子去除率。

2.1.3 腐蝕抑制劑的選擇 無機(jī)堿在水中是完全電離的狀態(tài)，堿性強(qiáng)，單獨(dú)使用無機(jī)堿時，造成硅片花片、白斑的機(jī)率大（圖2），而采用腐蝕抑制劑（二乙醇胺、三乙醇胺和乙二胺）的優(yōu)點(diǎn)在于：其一腐蝕抑制劑是有機(jī)堿，在水中電離是部分電離，存在電離平衡，有助于維持清洗環(huán)境的pH值，讓OH-慢慢釋放，不但可以緩解由無機(jī)堿過強(qiáng)造成花片的可能性，而且可以不斷的向溶液中補(bǔ)充由于消耗無機(jī)堿而降低的OH-。其二是以上這幾種有機(jī)堿都含有N元素，具有一定的絡(luò)合金屬離子的能力，可以輔助絡(luò)合劑完成對金屬離子的去除。

圖2 過腐蝕造成的花斑片F(xiàn)ig.2 Plaque caused by corrosion

2.1.4 助劑的選擇 清洗用表面活性劑的特點(diǎn)之一是起泡力強(qiáng)，但豐富的泡沫導(dǎo)致硅片漂洗不干凈，從而增加漂洗工序的次數(shù)，浪費(fèi)更多的純水，所以采用助劑無水乙醇、丙二醇、異丙醇作為助劑添加在清洗劑中，不但可以起到消泡的作用，還達(dá)到了節(jié)能降耗的目的（表2）。

表2 清洗純水用量對比Tab.2 Clean water consumption comparison

從表2可以看出，每3600萬片可節(jié)省純水約1598t，約合人民幣31644元。雖然這幾種助劑都是有機(jī)物，但是都屬于短鏈，溶解性好，容易去除。除此之外，據(jù)文獻(xiàn)報道[7,8]，醇類物質(zhì)有助提高非離子表面活性劑的濁點(diǎn)和HLB值，可以避免溫度升高對表面活性劑活性降低的影響，從而影響清洗效果。

2.2 清洗效果

針對現(xiàn)行金剛線切割工藝，本試驗(yàn)制備的高效節(jié)能型太陽能硅片清洗劑通過與改進(jìn)的清洗工藝相配合，具有以下特點(diǎn)：

（1）高效 能夠有效的去除硅片表面的金屬離子、各種有機(jī)污染物，良品率高；

（2）節(jié)能 低泡型清洗劑，節(jié)省水資源，降本增效；

（3）過腐蝕率低 過腐蝕片少，對硅片損傷小，整體提高硅片良品率。

清洗劑綜合清洗效果明顯優(yōu)于現(xiàn)有市售清洗劑。具體對比見表3。

表3 清洗效果統(tǒng)計Tab.3 Cleaning effect statistics

3 結(jié)論

清洗是硅片制造過程中重復(fù)次數(shù)最多的工藝。在目前濕法清洗工藝仍然占主導(dǎo)地位的行業(yè)背景下，清洗的宗旨不僅僅是去除各類型臟污，而是更加注重的與前道切割工藝的匹配清洗、高效清洗以及節(jié)能清洗。

經(jīng)試驗(yàn)，研制出一種高效節(jié)能型太陽能硅片清洗劑，能夠有效的去除硅片表面的金屬離子、各種有機(jī)污染物；清洗環(huán)境溫和，對硅片損傷小，清洗效率高；清洗泡沫少，不僅大大節(jié)省水資源，縮短清洗時間；而且可以為后續(xù)水處理的緩解壓力，清洗劑綜合效果明顯優(yōu)于現(xiàn)有市售清洗劑。