金刚石线切割太阳能硅片高效节能型清洗剂的制备及清洗效果研究*

马 瑾

（陕西国防工业职业技术学院，陕西 西安 710300）

随着晶硅太阳能电池的迅速发展和广泛应用，性能优良、稳定性好的高质量光伏器件越来越受到市场的青睐。硅片作为太阳能电池的核心部件，其表面洁净度、表面态等各项性能参数直接影响太阳能电池的发电效率。因此，对于高效太阳能电池而言，硅片的表面清洁处理十分关键。

在硅片生产中，切割作为清洗的前道工序，对其后端的清洗工艺有些决定性的影响。随着切割技术的发展，目前90%的硅片切割均采用金刚线切割[1]，新的技术从降低成本上带来了明显的效果，但也带来了新的清洗问题，与砂线切割相比：污染物复杂，有机污染和Cu、Fe、Ni等金属离子增多，影响制绒效果，白斑片增多，更甚至可能造成硅中少数载流子的表面寿命、体内寿命及有效寿命的降低，使得硅太阳能电池的短路电流密度和开路电压的降低，光电转化效率随之降低[2,3]，最终导致器件性能下降，产率降低等一系列问题[4]。

本实验的目的在于，针对目前市售硅片清洗剂在清洗过程中存在泡沫多、清洗初期碱性过强导致硅片表面发生过腐蚀现象以及对金属离子的去除力弱等缺点，研制一种专利产品——光伏太阳能级硅片高效节能清洗剂[5]，不但可以有效解决上述问题，提高硅片的洗净率和良品率，而且可以起到降本增效的作用，为制造性能优良、稳定性好的高质量光伏器件奠定基础。

1 实验部分

1.1 主要原材料

烷基酚聚氧乙烯醚，脂肪醇聚氧乙烯醚，以上均为工业品。KOH，乙二胺，三乙醇胺，二乙烯三胺五乙酸，乙二胺四乙酸二钠，异丙醇，丙二醇，无水乙醇（C.P.）。

1.2 清洗剂制备方法

（1）将一定量的水和烷基酚聚氧乙烯醚，脂肪醇聚氧乙烯醚混合，在转速 300～500r·min-1搅拌下，多次少量的缓慢加入KOH；

（2）在常温下将上述溶液继续搅拌10～20min，使其充溶解，最后将络合剂乙二胺四乙酸二钠和二乙烯三胺五乙酸其中一种或两种；腐蚀抑制剂三乙醇胺、乙二胺的一种或两种，以及助剂异丙醇，依次加入步骤1溶液中，搅拌完全溶解，即得所述试验用清洗剂。

1.3 清洗剂的性能指标

（1）外观：淡黄色液体

（2）密度：1.01；

（3）pH 值：12～13；

（4）使用温度：30～50℃；

（5）贮存期：室内避光存放3年，性质稳定；

1.4 清洗试验设备

FCZ-10L太阳能硅片自动清洗机（上海釜川超声波科技有限公司）。

1.5 清洗试验流程

1.5 清洗剂的配方试验

从良品率、金属离子去除率、过腐蚀率等指标综合考虑，最终确定4#为最佳配方。

表1 试验中优选的几组配方Tab.1 Optimization of several formulation in experimental

2 结果与讨论

2.1 组分选择

2.1.1 表面活性剂的选择 脂肪醇聚氧乙烯醚（AEO-9）和烷基酚聚氧乙烯醚（OP-10）都属于非离子表面活性剂，具有渗透力强，不受酸、碱和电解质的影响、易生物降解等特点[6]。当其以非极性碳氢链与固体颗粒表面接触吸附时，活性分子借助润湿作用迅速在硅片和颗粒表面铺展开（如图1a），随之渗入到硅片表面与吸附物之间将整个颗粒从硅片表面分离开（如图1b），并吸附在硅片表面上，最终形成致密的保护层，防止颗粒二次吸附在新生表面上（如图 1c）。

图1 表面活性剂在硅片表面的作用示意图Fig.1 Schematic diagram of surfactant action on the surface of silicon wafer

2.1.2 螯合剂的选择 随着硅片切割技术的发展，切割由原来的砂线切割逐渐变成了现在的金刚线切割，随之带来的污染中又增添了金属离子的污染，普通市售清洗剂通常采用单一的乙二胺四乙酸二钠，价格便宜易获得，但其对金属离子的去除力较弱，尤其是Cu、Fe、Ni等金属离子的去除，而二乙烯三胺五乙酸的络合稳定常数比乙二胺四乙酸二钠的大，形成的络合物更稳定。换言之，去除能力更强、效果更好，可提高金属离子去除率。

2.1.3 腐蚀抑制剂的选择 无机碱在水中是完全电离的状态，碱性强，单独使用无机碱时，造成硅片花片、白斑的机率大（图2），而采用腐蚀抑制剂（二乙醇胺、三乙醇胺和乙二胺）的优点在于：其一腐蚀抑制剂是有机碱，在水中电离是部分电离，存在电离平衡，有助于维持清洗环境的pH值，让OH-慢慢释放，不但可以缓解由无机碱过强造成花片的可能性，而且可以不断的向溶液中补充由于消耗无机碱而降低的OH-。其二是以上这几种有机碱都含有N元素，具有一定的络合金属离子的能力，可以辅助络合剂完成对金属离子的去除。

图2 过腐蚀造成的花斑片Fig.2 Plaque caused by corrosion

2.1.4 助剂的选择 清洗用表面活性剂的特点之一是起泡力强，但丰富的泡沫导致硅片漂洗不干净，从而增加漂洗工序的次数，浪费更多的纯水，所以采用助剂无水乙醇、丙二醇、异丙醇作为助剂添加在清洗剂中，不但可以起到消泡的作用，还达到了节能降耗的目的（表2）。

表2 清洗纯水用量对比Tab.2 Clean water consumption comparison

从表2可以看出，每3600万片可节省纯水约1598t，约合人民币31644元。虽然这几种助剂都是有机物，但是都属于短链，溶解性好，容易去除。除此之外，据文献报道[7,8]，醇类物质有助提高非离子表面活性剂的浊点和HLB值，可以避免温度升高对表面活性剂活性降低的影响，从而影响清洗效果。

2.2 清洗效果

针对现行金刚线切割工艺，本试验制备的高效节能型太阳能硅片清洗剂通过与改进的清洗工艺相配合，具有以下特点：

（1）高效 能够有效的去除硅片表面的金属离子、各种有机污染物，良品率高；

（2）节能 低泡型清洗剂，节省水资源，降本增效；

（3）过腐蚀率低 过腐蚀片少，对硅片损伤小，整体提高硅片良品率。

清洗剂综合清洗效果明显优于现有市售清洗剂。具体对比见表3。

表3 清洗效果统计Tab.3 Cleaning effect statistics

3 结论

清洗是硅片制造过程中重复次数最多的工艺。在目前湿法清洗工艺仍然占主导地位的行业背景下，清洗的宗旨不仅仅是去除各类型脏污，而是更加注重的与前道切割工艺的匹配清洗、高效清洗以及节能清洗。

经试验，研制出一种高效节能型太阳能硅片清洗剂，能够有效的去除硅片表面的金属离子、各种有机污染物；清洗环境温和，对硅片损伤小，清洗效率高；清洗泡沫少，不仅大大节省水资源，缩短清洗时间；而且可以为后续水处理的缓解压力，清洗剂综合效果明显优于现有市售清洗剂。