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太阳能硅片清洗剂的研究与配方设计

2022-09-05王成信

浙江化工 2022年8期
关键词:工作液碱度硅片

王成信

(上海喜赫精细化工有限公司,上海 201620)

太阳能硅片经切割研磨加工后,表面会粘附油污、粉尘和金属离子等污垢,这些污垢通常以原子、粒子或膜的形式通过化学或物理吸附的方式存在于硅片表面,污垢会影响后续的硅片制绒效果,同时残留的重金属离子会击穿硅片表面薄层,产生晶格缺陷并影响光能转化效率[1]。

在太阳能硅片的清洗工艺中,清洗剂应对金属离子有较好的清洗作用,特别是针对铁、铜、镍等金属离子,同时要具有优异的防止污垢沉积的作用[2]。环氧丙烷(PO)嵌段脂肪酸甲酯乙氧基化物(FMEE)及其磺酸盐(FMES)具有良好的污垢剥离作用,适用于中低温条件下对各种油污的清洗,同时具有优异的分散作用,可以将硅粉、油污膨胀松动,有利于清洗[3]。以本公司PO 嵌段FMEE 和FMES 作为硅片清洗剂的清洗成分,复配阴离子型渗透剂伯烷基磺酸钠(PAS)、金属离子去除剂乙二胺二邻苯基乙酸钠(EDDHA-Na)、烷基糖苷(APG)制得表面活性剂A 组分,通过正交试验确定五种原料的最佳配比。为了进一步提高硅片清洗剂的清洗效果,以氢氧化钾、氢氧化钠、偏硅酸钠、碳酸钠制得碱剂B 组分,通过正交试验确定四种碱剂最佳的配比。

1 实验部分

1.1 主要试剂与仪器

试剂与材料:PO 嵌段FMEE、FMES、乙二胺二邻苯基乙酸钠、伯烷基磺酸钠(PAS),均为工业级,上海喜赫精细化工有限公司;APG0810,工业级,上海清奈实业有限公司;机械油、切削液,上海明威润滑油有限公司;氢氧化钾、碳酸钠、五水偏硅酸钠、氢氧化钠,分析级,国药集团化学试剂有限公司;硅片,尺寸156 mm×156 mm,功率4.7 W,济南中威光伏材料制造有限公司;纳米氧化铁粉、纳米铜粉、纳米硅粉,工业级,上海允复纳米科技有限公司。

仪器:XPR 精密电子天平,梅特勒-托利多科技(中国)有限公司;GVK-30L 单槽超声波摆洗机,深圳市够威电器有限公司;pH 计,苏州凯斯特工业设备有限公司。

1.2 油污试片的制备

称取6 g 纳米氧化铁红、6 g 2 nm 铜粉、2 g纳米碳化硅和6 g 纳米硅粉,混合后充分研磨,用200 目标准分样筛筛取磨料,置于烧杯中并加入40 g 机械油和40 g 切削液搅拌,使固体颗粒与机械油充分接触并混合均匀,制得人造混合污垢,备用。

将准备好的硅片准确称重为m0,浸入人造混合污垢中静置5 min,取出后放入烘箱,于180 ℃下烘烤1 h,得到油污试片,准确称重为m1。

1.3 清洁工艺

将油污试片悬挂浸入温度为45 ℃的脱脂工作液中,超声波功率为600 W,声频为28 kHz,浸渍3 min,取出后继续在清水中摆洗10 次并沥干。

1.4 测试方法

1.4.1 清洁率

将清洗后的试片在80 ℃下烘干,然后在室温下保持24 h,称重为m2。硅片清洁率的计算公式如下:

清洁率=[1-(m2-m0)/(m1-m0)]×100%

1.4.2 缓冲碱度B

通过甲基橙指示剂测M 碱度,酚酞指示剂测P 碱度,缓冲碱度B=(M 碱度-P 碱度)/浓度。

2 结果与讨论

2.1 PO 嵌段 FMEE、FMES、PAS、EDDHA -Na、APG 正交试验因素水平的确定

PO 嵌段FMEE 能降低硅片表面张力,具有润湿力强、泡沫低的特点,分子链结构中有末端甲基和引入的环氧丙烷甲基,在硅片表面的吸附力较弱,易于漂洗并减少在硅片表面的残留。FMES 具有优异的分散性,有利于溶胀硅片表面的硅粉和氧化膜,并能提高清洗工作液的耐久性[4]。PAS 能提高清洗体系的渗透力,强化工作液渗透至硬表面和污垢的结合处,对污垢起到剥离作用。EDDHA-Na 对铜、铁、镍离子有优异的螯合力,铁离子的螯合值为200 mg/g,可以有效地螯合工作液中的金属离子,易于溶解沉积于硅片表面不溶于水的金属皂盐,减少金属离子的沾污,避免重金属离子扩散到硅片内部,发生漏电现象[5]。APG 具有一定的清洗性,并能提高体系的耐碱性[6]。以PO 嵌段FMEE、FMES、EDDHA-Na、PAS、APG为因素确定了正交试验因素水平如表1,试验测试结果与极差分析见表2。

表2 正交试验结果Tab.2 Results of orthogonal test

由表2 可知,各因素对清洁率的影响排序为:PO 嵌段FMEE>EDDHA-Na>FMES>PAS>APG。PO 嵌段FMEE 为十八碳长碳链结构,与各种油污有相似的碳烃结构,根据相似相溶原理,FMEE对油污有优异的增溶作用[7],在低温条件下更容易清洗有机污垢,因此,具有优异除油乳化性能的FMEE 对硅片清洗影响最大。EDDHA-Na 的螯合与分散性能优异,分子结构中含有2 个配位体,可以与钙、镁、铁、铜等金属离子形成稳定的六元环状结构络合物,将非水溶性的金属皂分解的同时,有利于将紧贴在硬表面的氧化膜层分散开,削弱了氧化膜与硅片表面的结合力,最终污垢被进一步松散而去除[8]。其对硬表面的薄层致密金属层清洗影响也较大。FMES 分散性能优异,可以抑制工作液中各种污垢和重金属离子再次沉积于硅片表面[8]。PAS 渗透力出众,能协助清洗工作液沿污垢边缘进入污垢与硬表面的结合处,降低污垢在硬表面的附着力,对各种污垢有卷离作用[9]。APG 主要起到抗耐碱作用,对清洗效果影响最小。

通过正交试验分析,PO 嵌段FMEE 与EDDHA-Na 对清洗性能影响最明显,FMES 和PAS次之,APG 影响最小。参考表2 中清洁率最高的10 号和13 号实验,得到最优化的用量:PO 嵌段FMEE 用量为7 g/L,EDDHA-Na 用量为8 g/L,FMES 用量为3 g/L,PAS 用量为5 g/L,APG 用量为3 g/L。根据上述用量,将PO 嵌段FMEE、EDDHA-Na、FMES、PAS、APG 五种原料按照7:8:3:5:3(质量比)复配制得硅片清洗剂的表面活性剂A组分。

2.2 碳酸钠、氢氧化钠、五水偏硅酸钠、氢氧化钾正交试验因素水平的确定

在硅片清洗中,碱的作用非常明显,既能协助表面活性剂起到助洗作用,也能破坏硅片表面的致密氧化层;但也不能过度提高工作液碱性,碱性太强会严重腐蚀硅片,硅片表面产生凹槽和白斑;此外,碱性太强会导致清洗过程中工作液pH 下降幅度大,在清洗的后半程清洗合格率下降。这就要求碱剂的缓释碱度要高,具有良好的碱性缓冲能力。为了得到具有最佳碱性缓冲能力的碱剂组合,以氢氧化钾、氢氧化钠、偏硅酸钠、碳酸钠为因素通过正交试验确定了最佳缓释碱度的配比,正交试验因素水平见表3,试验测试结果与极差分析见表4。

表3 正交试验因素水平表Tab.3 Design of orthogonal test

表4 正交试验结果Tab.4 Results of orthogonal test

通过表4 可知,各因素对缓冲碱度的影响为:碳酸钠>偏硅酸钠>氢氧化钠>氢氧化钾。碳酸钠和偏硅酸钠的碱性弱,但是缓冲空间大,能有效地稳定体系的pH,减少pH 的波动。氢氧化钠和氢氧化钾的碱性强,缓冲碱度低,对pH 几乎没有缓冲空间。参考4 号实验,氢氧化钾、氢氧化钠、偏硅酸钠、碳酸钠(质量比为3:1:2:2)组成碱剂B 组分,具有最佳的pH 缓冲与稳定作用。

2.3 应用案例

按照实验结果配制清洗剂的A、B 组分,A 组分比例(质量比)为:PO 嵌段FMEE,7%;EDDHANa,8%;FMES,3%;PAS,5%;APG,3%;纯净水,74%。B 组分比例为:氢氧化钾,6%;氢氧化钠,2%;偏硅酸钠,4%;碳酸钠,4%;纯净水,84%。

将A、B 组分在工厂开展应用试验,实验设备为华泰HTOQ-4009 清洗插片一体机,超声频率设定为35 kHz,清洗流程为1 槽、2 槽用纯水洗,3 槽、4 槽、5 槽为清洗剂清洗,槽液清洗剂浓度为5%,每2 h 更换1 次,6 槽、7 槽、8 槽为逆流漂洗,纯水6 号槽排出后重新用于脱胶流程。八槽水温均为45 ℃,水洗后用甩干机甩干,转速为600 r/min,时间为4 min,连续清洗80000 片。经检测,硅片切割表面未腐蚀,无明显手感线痕和凹坑,无可见斑点、油污,无化学药品残留,不良率小于0.5%,成品硅片电阻率为2 Ω/cm,光电转化率大于17.5%。

3 结论

(1)在硅片清洗中,PO 嵌段FMEE 和EDDHA-Na 对硅片表面的油污、重金属离子、氧化膜清洗效果影响较大。纯碱和偏硅酸钠对混合碱剂的缓冲碱度影响较大。

(2)最终确定表面活性剂A 组分为:PO 嵌段FMEE,7%;EDDHA-Na,8%;FMES,3%;PAS,5%;APG,3%、纯净水,74%。混合碱B 组分为:氢氧化钾,6%;氢氧化钠,2%;偏硅酸钠,4%;碳酸钠,4%;纯净水,84%。

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