太阳能级硅料的污染杂质及清洗技术浅谈

陕西国防工业职业技术学院 ■ 马瑾

太阳能级硅料的污染杂质及清洗技术浅谈

陕西国防工业职业技术学院 ■ 马瑾

介绍了太阳能级硅料中存在的各种污染杂质的类型，分析了其产生的原因，并概要总结了去除各种杂质的方法和清洗技术。

太阳能级；硅料；污染；清洗技术

0　引言

在当今的光伏产业链中，单晶硅电池因具有较高的转换效率和资本金收益率而备受市场青睐，但随着太阳能行业的迅速发展，太阳电池用硅料越来越紧缺。因此，为了降低成本，提高可再生能源的利用率，废硅料、硅片等逐渐被 用作单晶硅棒的拉制原料，并形成一种趋势。目前硅料的来源主要有两类，一类是高纯度的多晶硅料，这类硅料无需再做清洁处理；另一类是在拉制、切割硅棒时产生的墩锅料、边皮料、头尾料、碳头料等，需要进行清洗分选，将其表面的氧化层、脏污、粘接胶、碳杂质等非硅类物质去除，否则将直接影响单晶硅棒的质量，进而影响太阳电池的发电效率［1］。

1　硅料的污染来源和分类

硅料表面的污染物来源广泛而又复杂，只有正确分析出污染物的类型，选择与其相匹配的清洗工艺，才能将污染物彻底清除。

1.1有机物

有机物是重要污染源之一，如粘接胶、切削液、机械油、人的皮肤油脂等［2］。这类污染物通常在硅料表面形成间断式的有机物薄膜，并将其他类型的污染物覆盖或结合在一起，使清洗难度增大。因此，清洗工序的第一步就是将有机物除去，一般采用强氧化性酸或含有表面活性剂的清洗剂。

1.2颗粒

颗粒物主要是在硅棒去头尾、圆棒切断、短棒切方、抛光等过程中产生的磨料残余颗粒、硅粉粉尘、空气中的灰尘等污染物。这类污染物主要依靠范德华力吸附在硅料表面，去除方法以物理方法为主。

1.3氧化层

硅棒在切割后或清洗后的新鲜表面会在空气中自然氧化，形成无定形氧化硅层，影响着硅料的纯度。这类氧化层常常泛蓝色或白色的光，氧化层常用酸腐蚀。

1.4金属离子

金属离子通常会在硅棒的加工过程中引入，如切割线、切割片、放置废硅料的器皿、清洗设备及各种清洗试剂，如铜、铁、镍、铝等［3，4］，这些杂质在硅中对少数载流子的俘获截面往往比正常掺杂的元素（硼、磷）大2～3个数量级，严重影响少子的体内寿命及有效寿命。因此在硅料上污染的金属离子必须彻底清洗，常常采用络合剂络合的方法使其脱离硅表面。

1.5其他杂质

硅料中的污染物还有很多，比如墩锅料表面的石英、碳头料上的石墨等，都是影响单晶硅棒质量的杂质，在传统工艺中都采用强腐蚀性酸来去除［5，6］。

2　太阳能硅料传统清洗技术和一般程序

2.1常用清洗技术

硅料表面的污染物主要采用湿法化学清洗，即利用化学试剂与污染物反应，使杂质从硅料表面分离，然后用一定温度的纯水冲洗，使得杂质与表面脱离，以达到清洗的目的。化学清洗以节能、高效及实用的特点在硅料及硅片清洗中广泛应用［7］。

1）溶液浸泡。溶液浸泡法［8］是将硅料浸泡在化学溶液中，溶剂对污染物作用，如采用有机溶剂去除粘接胶、机械油、油脂等。在硅料清洗应用最多的溶液有两种，一种是强酸腐蚀液，可去除硅料上的有机物、石英、氧化层及石墨，去除用时短、效率高，但是酸液对操作人员危害大，产生的废气、废液处理繁琐，对环境污染较严重，若腐蚀工艺未处理好还将造成硅料的大量损失；另一种是水基清洗液，清洗液中含有有机溶剂、螯合剂、表面活性剂、少量酸或碱试剂等［9］，在超声、加热的条件下，可去除颗粒、金属离子、有机物、氧化层，清洗效果较好，使用安全性高，但是溶液浸泡相对于水基清洗液来说，对一些顽固污染物去除效果不理想，且污染大，不环保。

2）超声波清洗。超声波清洗是清洗行业最常见的清洗方法。利用超声波在液体中的空化作用、加速度作用及直进流作用对液体和污物直接、间接的作用，使污物层被分散、解吸、剥离，多与水基清洗剂配合使用，用于大块污染和颗粒。其优点是清洗效果好，操作简单，一般使用超声频率为20～40 kHz，清洗效果与超声条件（如温度、功率、超声频率等）有关。但对于附着力极强的污染物和超细小颗粒，清洗效果不如兆声波好，目前兆声波在硅料清洗中应用较少。

3）机械擦洗。机械擦洗［10］是在检查和分选硅料时进行的一段工序，一种是采用喷砂、打磨法，通过固体磨料或游离磨料将硅料表面的轻微氧化层用物理方法剥离；另一种是用无尘布沾取酒精等有机溶剂人工擦拭硅料表面的残余胶粒、有机污物、灰尘。但机械擦洗法易对硅料造成二次污染，加大清洗量。

2.2硅料清洗的一般程序

清洗污染杂质的一般程序是由易到难。硅料表面的杂质按类型可分为分子型、离子型、原子型。如磨料颗粒、灰尘、残余胶、机械油等属于分子型，它在硅料表面呈现为疏水性，吸附力较弱，容易去除，因此在清洗时首先被去除；其次是原子型杂质和离子型杂质，属于化学吸附，吸附较强，但离子型杂质吸附力较原子型杂质吸附性弱，所以先去除原子型杂质，如金属离子，再去除离子型杂质，如氧化层等；最后用纯水冲洗、烘干。

3　结束语

随着光伏产业的快速发展，对电池性能的要求越来越高，所对应的硅片、硅棒的洁净度也随之提高，清洗技术将会在各领域发挥重要的作用。从目前的研究来看，湿法化学清洗技术在硅料清洗中仍占主导地位。但在今后，由于化学试剂的安全问题，废气、废液的处理，人员操作带来的二次污染问题，环境污染问题等，需要清洗技术向着安全、环保、高效的方向发展。

［1］ 刘立新， 罗平， 李春， 等. 单晶硅生长原理及工艺［J］. 长春理工大学学报， 2009， 32（4）: 569-573.

［2］ 李家澍.单晶硅太阳能电池制绒前清洗的研究［D］. 上海：复旦大学， 2013.

［3］ 毛智慧， 周文韬， 田琦， 等.晶体硅材料中杂质元素分析方法研究进展［J］. 化学分析计量， 2015， 24（2）: 102-105.

［4］ 王平. 太阳能级硅片加工过程中重金属杂质的小潮及其清除机理的研究［D］.河北：河北工业大学， 2010.

［5］ 陈发勤， 吴彬辉， 胡江峰， 等. 多晶硅“碳头料”清洗使用研究［J］. 太阳能， 2012， （3）: 26-30.

［6］ 李振国，赵可武. 用于多晶体“碳头料”硅碳分离的蚀刻液及其制备方法［P］. 中国: CN200810017582， 2008-08-06.

［7］ 陈贵财. 太阳能多晶硅片表面污染物去除技术的研究［D］.辽宁: 大连理工大学， 2011.

［8］ 周基江， 汪钉崇， 王仁杰.太阳能产业用硅料的新处理工艺［A］.太阳能光伏会议论文集［C］，常州， 2008.

［9］ 张群社， 赵可武， 李淑丽， 等.硅料清洗剂及硅料清洗的方法［P］. 中国: CN102010797， 2011-12-28.

［10］ 冯文宏， 刘俊飞.硅片处理过程中产生的废硅料的清洗方法［P］. 中国: CN102694074， 2015-07-01.

2015-07-25

陕西国防工业职业技术学院2015年科研基金资助项目（Gfy15-02）

马瑾（1984—），女，硕士，主要从事硅材料表面处理方面的研究。majin_345@126.com