太陽能級硅料的污染雜質及清洗技術淺談

陜西國防工業職業技術學院 ■ 馬瑾

太陽能級硅料的污染雜質及清洗技術淺談

陜西國防工業職業技術學院 ■ 馬瑾

介紹了太陽能級硅料中存在的各種污染雜質的類型，分析了其產生的原因，并概要總結了去除各種雜質的方法和清洗技術。

太陽能級；硅料；污染；清洗技術

0　引言

在當今的光伏產業鏈中，單晶硅電池因具有較高的轉換效率和資本金收益率而備受市場青睞，但隨著太陽能行業的迅速發展，太陽電池用硅料越來越緊缺。因此，為了降低成本，提高可再生能源的利用率，廢硅料、硅片等逐漸被 用作單晶硅棒的拉制原料，并形成一種趨勢。目前硅料的來源主要有兩類，一類是高純度的多晶硅料，這類硅料無需再做清潔處理；另一類是在拉制、切割硅棒時產生的墩鍋料、邊皮料、頭尾料、碳頭料等，需要進行清洗分選，將其表面的氧化層、臟污、粘接膠、碳雜質等非硅類物質去除，否則將直接影響單晶硅棒的質量，進而影響太陽電池的發電效率［1］。

1　硅料的污染來源和分類

硅料表面的污染物來源廣泛而又復雜，只有正確分析出污染物的類型，選擇與其相匹配的清洗工藝，才能將污染物徹底清除。

1.1有機物

有機物是重要污染源之一，如粘接膠、切削液、機械油、人的皮膚油脂等［2］。這類污染物通常在硅料表面形成間斷式的有機物薄膜，并將其他類型的污染物覆蓋或結合在一起，使清洗難度增大。因此，清洗工序的第一步就是將有機物除去，一般采用強氧化性酸或含有表面活性劑的清洗劑。

1.2顆粒

顆粒物主要是在硅棒去頭尾、圓棒切斷、短棒切方、拋光等過程中產生的磨料殘余顆粒、硅粉粉塵、空氣中的灰塵等污染物。這類污染物主要依靠范德華力吸附在硅料表面，去除方法以物理方法為主。

1.3氧化層

硅棒在切割后或清洗后的新鮮表面會在空氣中自然氧化，形成無定形氧化硅層，影響著硅料的純度。這類氧化層常常泛藍色或白色的光，氧化層常用酸腐蝕。

1.4金屬離子

金屬離子通常會在硅棒的加工過程中引入，如切割線、切割片、放置廢硅料的器皿、清洗設備及各種清洗試劑，如銅、鐵、鎳、鋁等［3，4］，這些雜質在硅中對少數載流子的俘獲截面往往比正常摻雜的元素（硼、磷）大2～3個數量級，嚴重影響少子的體內壽命及有效壽命。因此在硅料上污染的金屬離子必須徹底清洗，常常采用絡合劑絡合的方法使其脫離硅表面。

1.5其他雜質

硅料中的污染物還有很多，比如墩鍋料表面的石英、碳頭料上的石墨等，都是影響單晶硅棒質量的雜質，在傳統工藝中都采用強腐蝕性酸來去除［5，6］。

2　太陽能硅料傳統清洗技術和一般程序

2.1常用清洗技術

硅料表面的污染物主要采用濕法化學清洗，即利用化學試劑與污染物反應，使雜質從硅料表面分離，然后用一定溫度的純水沖洗，使得雜質與表面脫離，以達到清洗的目的?；瘜W清洗以節能、高效及實用的特點在硅料及硅片清洗中廣泛應用［7］。

1）溶液浸泡。溶液浸泡法［8］是將硅料浸泡在化學溶液中，溶劑對污染物作用，如采用有機溶劑去除粘接膠、機械油、油脂等。在硅料清洗應用最多的溶液有兩種，一種是強酸腐蝕液，可去除硅料上的有機物、石英、氧化層及石墨，去除用時短、效率高，但是酸液對操作人員危害大，產生的廢氣、廢液處理繁瑣，對環境污染較嚴重，若腐蝕工藝未處理好還將造成硅料的大量損失；另一種是水基清洗液，清洗液中含有有機溶劑、螯合劑、表面活性劑、少量酸或堿試劑等［9］，在超聲、加熱的條件下，可去除顆粒、金屬離子、有機物、氧化層，清洗效果較好，使用安全性高，但是溶液浸泡相對于水基清洗液來說，對一些頑固污染物去除效果不理想，且污染大，不環保。

2）超聲波清洗。超聲波清洗是清洗行業最常見的清洗方法。利用超聲波在液體中的空化作用、加速度作用及直進流作用對液體和污物直接、間接的作用，使污物層被分散、解吸、剝離，多與水基清洗劑配合使用，用于大塊污染和顆粒。其優點是清洗效果好，操作簡單，一般使用超聲頻率為20～40 kHz，清洗效果與超聲條件（如溫度、功率、超聲頻率等）有關。但對于附著力極強的污染物和超細小顆粒，清洗效果不如兆聲波好，目前兆聲波在硅料清洗中應用較少。

3）機械擦洗。機械擦洗［10］是在檢查和分選硅料時進行的一段工序，一種是采用噴砂、打磨法，通過固體磨料或游離磨料將硅料表面的輕微氧化層用物理方法剝離；另一種是用無塵布沾取酒精等有機溶劑人工擦拭硅料表面的殘余膠粒、有機污物、灰塵。但機械擦洗法易對硅料造成二次污染，加大清洗量。

2.2硅料清洗的一般程序

清洗污染雜質的一般程序是由易到難。硅料表面的雜質按類型可分為分子型、離子型、原子型。如磨料顆粒、灰塵、殘余膠、機械油等屬于分子型，它在硅料表面呈現為疏水性，吸附力較弱，容易去除，因此在清洗時首先被去除；其次是原子型雜質和離子型雜質，屬于化學吸附，吸附較強，但離子型雜質吸附力較原子型雜質吸附性弱，所以先去除原子型雜質，如金屬離子，再去除離子型雜質，如氧化層等；最后用純水沖洗、烘干。

3　結束語

隨著光伏產業的快速發展，對電池性能的要求越來越高，所對應的硅片、硅棒的潔凈度也隨之提高，清洗技術將會在各領域發揮重要的作用。從目前的研究來看，濕法化學清洗技術在硅料清洗中仍占主導地位。但在今后，由于化學試劑的安全問題，廢氣、廢液的處理，人員操作帶來的二次污染問題，環境污染問題等，需要清洗技術向著安全、環保、高效的方向發展。

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［10］ 馮文宏， 劉俊飛.硅片處理過程中產生的廢硅料的清洗方法［P］. 中國: CN102694074， 2015-07-01.

2015-07-25

陜西國防工業職業技術學院2015年科研基金資助項目（Gfy15-02）

馬瑾（1984—），女，碩士，主要從事硅材料表面處理方面的研究。majin_345@126.com