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硅料回收太陽能硅料化學清洗研究進展
編輯:蘇州鑫晶威新能源科技有限公司   時間:2017-09-14

硅料回收太陽能硅料化學清洗研究進展

當今世界,石油、煤炭等不可再生資源越來越少,同時,開采和使用不可再生資源的過程,也給環境帶來了不可逆性的破壞。所以,尋求新能源取代化石能源已成為歷史必然。其中,將自然界中的太陽光能充分利用轉換發電,即光伏發電引起了人們的廣泛關注。光伏發電是直接將大自然的太陽光能轉化成電能,它不需要消耗燃料,同時沒有地域限制,能量隨處可得。除此之外,還有無污染、無噪聲、建設周期短、可就地使用、容易儲存等優勢。因此,將太陽光能開發并充分利用,其前景非??捎^。然而,作為太陽能光伏發電的主要材料,在太陽能光伏產業市場迅速發展的大背景下,其清潔度的需求也逐步增加。本文就近年來國內外太陽能多晶硅料化學清洗現狀進行了綜述。

一、污染物的分類

  硅料的清洗,其目的是使硅料表面清潔無雜質污染,從而保證硅料純度,保證整個電池生產中硅料的質量,避免污染物影響產品的質量。硅料污染物種類較多,有物理因素造成的污染,比如硅粉、灰塵、油脂、金屬雜質等;也有化學因素造成的污染,如氧化膜。根據產生污染的原因,及污染物的存在形態,大致可分為以下4類:①明顯顆粒物,細砂、灰塵、硅粉、氮化硅粉等;②金屬污染物,因生產過程硅料與爐壁或其他器具等外界要素接觸,會有一些金屬離子吸附在硅料表面,它通常以范德華引力、共價鍵或電子轉移等3種表面形式存在,金屬污染物會導致硅錠的少子壽命降低;③有機污染物,手指油脂、潤滑油、防銹油、松香、蠟等;④自然氧化膜,硅材料表面在自然環境中的氧化。


二、化學清洗基本方法

  有機污染物覆蓋在硅料表面,使得氧化膜及與之相關的一些沾污無法去除,所以清洗的一般思路,首先是將硅料表面的有機沾污去除掉;然后再對氧化膜進行處理;最后將顆粒污染物、金屬污染物進行清洗、鈍化。目前,一般仍用20世紀60年代以來的濕式化學清洗。


  濕式化學清洗,又稱為RCA 標準清洗法(以實驗室名稱命名),其使用的清洗液有2種,即SC-1(Standard Clean-1)和SC-2(Standard Clean-2)。


  SC-1由氨水(NH4OH)、雙氧水(H2O2)、水(H2O)組成,簡稱APM(Ammonia/Peroxide Mix),它的主要作用即堿性氧化,濃度比例在1︰1︰5~1︰2︰7之間。它一方面具有氧化性,另一方面可以與金屬原子、離子形成絡合物,因此,使用SC-1可以去除硅片表面的顆粒,并可氧化及去除表面少量的有機物和金(Au)、鉻(Cd)、銅(Cu)、銀(Ag)、鎳(Ni)等金屬原子。為減少因NH4OH和H2O2揮發造成的損失,清洗溫度需要控制在80℃以下,一般為70~80℃之間。


  SC-2由 HCl、H2O2、水(H2O)組成,簡稱HPM 試劑。它的主要作用是酸性氧化,濃度比例在1︰1︰6~1︰2︰8之間。SC-2能溶解多種不被氨絡合的金屬離子,同時,對于不溶解于氨水、但可溶解于鹽酸的氫氧化鐵﹝Fe(OH)3﹞、氫氧化鎂﹝Mg(OH)2﹞、氫氧化鋁﹝Al(OH)3﹞和氫氧化鋅﹝Zn(OH)2﹞等物質,所以對于去除 Al3+、Fe3+、Mg2+、Zn2+等離子具有較好效果。為減少因鹽酸和過氧化氫揮發造成的損失,溫度控制在 80℃以下,最合適的清洗溫度為70~80℃。


  目前,濕式化學清洗大多采用在自動清洗機中進行浸泡式清洗。浸泡式清洗機至少有6個步驟。首先將裝有硅料的塑料晶舟置入盛有SC-1清洗液的槽中,并施以超聲波,清洗約5min后,快速轉入盛有去離子水的第二槽中,以快排或高速沖洗的方式,洗掉殘留的SC-1清洗液。再將晶舟置入盛有SC-2清洗液的槽中,去除殘留的金屬離子,然后再用去離子水清洗。清洗完后,即可利用旋轉或烘干的方式進行干燥。有的在進行SC-1前,還要用臭氧去除有機物。以上所有步驟的轉移,都是用機械手來完成。


  然而,與傳統的 RCA 清洗方法相比,最新的RCA 清洗方法,除了SC-1和SC-2清洗液,還增加了SC-3清洗液和DHF工藝。


  SC-3由硫酸(H2SO4)、H2O2、H2O 組成,簡稱SPM試劑。H2SO4與H2O2的體積比為1︰3,清洗溫度控制在100~130℃之間。在硅片清洗方法中,用SC-3 試劑進行清洗是去除有機物的典型工藝。


  DHF 工藝主要試劑為氫氟酸(HF)或稀氫氟酸(DHF)。由于HF能夠溶解二氧化硅(SiO2),因此用DHF 工藝可以將上步清洗過程中生成的表面氧化層去除掉,與此同時,還可以去除掉吸附在氧化層上的微粒及金屬。


  因此,最新RCA 清洗技術具體工藝為:先用SC-3清洗液進行酸性氧化清洗,將硅片表面的有機沾污去除掉;再用SC-1清洗液進行堿性氧化清洗,以去除掉硅片表面的粒子;接著用DHF工藝進行清洗,去除氧化層;最后用SC-2清洗液進行酸性氧化清洗,去除硅片表面的金屬沾污。用不同清洗液進行清洗前后,都要用超純水(DI水)進行漂洗,最后進行干燥。


  不管是傳統的RCA清洗法,還是最新的RCA清洗法,對除去硅片表面上的大部分污染物都是行之有效的。


三、其他化學清洗方法

  對原生多晶硅料而言,采用傳統的RCA或是最新的RCA清洗法,一般都可獲得較好的效果。然而,對于回收硅料(邊皮料、頭尾料、碳頭料、復拉料、鍋底料、硅片等)而言,采用傳統的清洗方法,不但不能將其表面的雜質和污染物清洗干凈,而且還會使硅料表面產生二次污染、局部氧化等現象。因此,根據硅料的不同,由RCA清洗法發展出多種化學清洗方法。


  吳偉忠等發明了一種適用于邊皮料、頭尾料的清洗方法。首先,配制了一種混合酸液:硝酸、氫氟酸、冰乙酸按照體積比57︰18︰25混合(硝酸濃度為68%~72%,氫氟酸濃度為38%~41%,冰乙酸濃度為99.8%~99.9%);然后,將多晶硅邊皮料或頭尾料放置于混合酸液中(溫度為30~35℃),避光浸泡1 ~10min;之后,撈取并用純水沖洗,經超聲沖洗、壓縮空氣鼓泡,最后烘干。用該方法清洗的多晶硅硅料,無酸漬、水漬,表面光潔,不但清洗效果好,而且成本低、易操作,對于邊皮料、頭尾料的清洗起到較好作用。


  陳發勤等用自配的SORNID系列清洗液,對“碳頭料”進行實驗清洗。實驗結果表明,SORNID 系列清洗液對“碳頭料”的清洗效果明顯。其中,SORNID-3清洗液效果顯著,它能將夾雜在“碳頭料”里的石墨破碎、腐蝕,并且分散。使用SORNID-3清洗后的“碳頭料”進行多晶鑄錠,不但滿足多晶鑄錠的工業要求,而且所鑄晶錠晶粒大(厘米級)、呈柱狀結構,少子壽命、碳含量完全滿足高效多晶硅片中的要求。


  郝躍明等采用中性的化學清洗劑(1號、2號清洗劑),取代硝酸/氫氟酸混合液,對復拉料或鍋底料表面的雜質、沾污,進行了清洗研究。其中,l號清洗劑由幾種含有親油基(憎水基)和親水基的表面活性劑及其它一些添加劑組成;2號清洗劑選用去污力強且同時具有絡合作用(分子中含有配位原子,可與金屬離子或原子形成絡合物或螯合物)的表面活性劑組成。因此,使用1號、2號清洗劑可以將油脂類雜質、金屬離子(原子) 清洗干凈,達到清洗目的。


  吳云才發明了一種方法,對于處理“氧化硅片”具有良好效果。首先,將“氧化硅片”投放于堿液中浸泡,等硅片上浮時,撈出,純水沖洗瀝干,投放于第2個堿液中浸泡;然后,投放于過氧化氫、鹽酸混合溶液,浸泡、壓縮空氣鼓泡;最后,投放于純水中浸泡,撈取并烘干。與此同時,常州天合光能有限公司先使用氫氟酸浸泡,再進行堿液腐蝕,也可以很好地將氧化層去除,達到清洗目的。


四、結語

  根據清洗原理不同,除了化學清洗外,還有超聲清洗、兆聲清洗、氣相干洗、UV/O3清洗等方法。硅材料清洗技術作為一個系統性的工程,盡管一些先進的方式正在被廣泛應用,但是傳統的濕式化學清洗依舊會占據一定的地位。為了避免過程污染,減少清洗步驟和使用最少的化學試劑,以最簡單的方式來獲得最好的清洗效果,是今后化學清洗發展的方向。


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