CN101087007A - 单晶硅太阳能电池化学蚀刻、清洗、干燥的方法和它的一体化处理机 - Google Patents

Abstract

单晶硅太阳能电池化学蚀刻、清洗、干燥的方法和它的一体化处理机，属化学蚀刻技术和清洗技术领域。其特点是除了包含有水、酸、碱参于蚀刻和洗净外，并有超声波参与蚀刻和清洗过程；有以下操作程序完成蚀刻和清洗：①超声波预洗、预热，②超声波去损伤层，③超声波制绒处理，④超声波漂洗，⑤酸洗中和，⑥超声波漂洗，⑦切水，⑧热焓干燥。实施本发明后的积极效果是：由于采用超声波参与蚀刻和清洗过程后，制绒液能均匀地与硅片反应，表面形成相近的粗糙程度，出现良好的棱锥图案；也能使碱性溶液中存在的钾、钠离子去除干净，延长硅片寿命；减少环境污染，大量节约能耗和水资源，是一个很实用的好发明。

Description

单晶硅太阳能电池化学蚀刻、清洗、干燥的方法和它的一体化处理机

技术领域

属化学蚀刻技术和清洗技术领域。

背景技术

太阳能光伏发电是新能源和可再生能源的重要组成部分，被认为是当前世界上最有发展前景的新能源技术。硅太阳能电池是光伏发电的核心部件，高效硅太阳能电池需要通过表面的纹理结构来减少辐射，增强光线的搜集。如单晶硅的纹理通常是用碱性溶液处理的。在进行纹理工艺前后，都必须对硅片进行清洗。传统加工纹理的方法是：水洗——浸泡式碱液去损伤层(20-30％NaOH)——搅拌式碱腐蚀制绒——活水冲洗——盐酸清洗(3-5％)——活水冲洗——氢氟酸清洗(3-5％)——活水冲洗——烘干。该工艺完成纹理的制作和清洗需要消耗大量的水源，并且盐酸和氢氟酸对操作者带来伤害和对周边环境会带来污染，也使硅片无法在净化室内进行清洗，很难提高硅片的清洁度。更重要的是如果未对硅片上的盐酸，氢氟酸彻底洗净，日久之后会对硅电池产生延迟性腐蚀，影响太阳能电池的使用寿命。传统的制作工艺能耗高、污染严重、污水处理及空气净化复杂。

发明内容

本发明提供一种能耗低、污染小、从而使污水易处理和无害化气体排放的一种单晶硅太阳能电池化学蚀刻、清洗、干燥的方法和它的一体化处理机。

本发明采取的技术方案：

单晶硅太阳能电池化学蚀刻、清洗、干燥的方法，包含有纯水、酸、碱参与去损伤层，其方案是：由超声波参与去损伤层、蚀刻和清洗过程，采用碳氢溶剂对单晶硅脱水、热焓干燥。

采取以下操作程序完成预清洗、去损伤层、蚀刻、中和、漂洗和干燥：

①超声波预洗、预热；②超声波去损伤层；③超声波制绒；④超声波漂洗；⑤超声波中和；⑥超声波漂洗；⑦切水；⑧热焓干燥。所述的超声波是每升液体20W的功率分布，频率为40KHz。

单晶硅太阳能电池化学蚀刻、清洗、干燥的一体化处理机，包含放置单晶硅清洗篮的槽体，移动清洗篮的传送机构，其方案是：

放置单晶硅的清洗篮，由传送机构分别按序或同步送入超声波预洗预热槽位、超声波去损伤层槽位、4个超声波制绒槽位、超声波漂洗槽位、超声波中和槽位、3个超声波漂洗槽位、2个切水槽位、热焓干燥槽位；所述分别按序或同步送入槽位，是由升降装置和横移装置操作实现，并由各槽位的超声波装置，介质供应装置配合完成。

实施本发明后的积极效果是：由于传统方法采用搅拌或用水泵抽液流动搅拌，加工的纹理容易造成粗糙程度不一致。采用超声波后，表面形成可靠相近的粗糙程度，出现反射性良好的棱锥图案。其主要功能是通过超声波的空化作用，使在硅片制绒过程中反应生成的附着在硅片表面的微小氢气泡被振碎，硅片表面被极度湿润，也就是制绒液均匀地与硅片反应。因为棱锥的数量及大小分布均由氢气泡所决定。这些在蚀刻过程中产生的氢气泡很容易附着在蚀刻表面，形成“伪遮蔽”现像。附着的气泡会阻碍蚀刻溶液与硅原子之间完成生成棱锥纹理的化学反应。因此，控制氢气泡的分布与大小，就成了是否能够获得低反射性一致表面的关键；由于制绒液中的碱金属(K.Na)会使绝缘膜耐压不良，重金属(Au Ag.Cu等)会使PN结耐压降低，III族元素(B.Al.Ca等)会使N型半导体特性恶化，V族元素(P.As，Sb等)会使P型半导体特性恶化，水中的细菌高温碳化后如吸附在单晶硅表面，就会引起电路短路或特性变差。而盐酸中的氯离子、氢氟酸中的氟元素残留在单晶硅上，都会对硅电池产生隐性腐蚀。因此，为了消除碱金属、重金属离子和各类元素对硅片的污染，传统工艺只能采用大量纯水冲洗硅片上的碱液。而后再用盐酸进行中和和用氢氟酸去除硅片上杂物。在二次酸洗后，也必须采用大量纯水冲洗，，这些水均不能被重复利用，只有这样才能避免酸液残留对硅片造成二次污染。采用本发明后，在蚀刻后的每一个清洗工位均引入超声波装置，由于超声波空化产生的能量相当于几千个大气压冲击力，能将硅片纹理间的碱液和污物置换出来，所以，本发明采用食用柠檬酸进行中和，达到了除去钾、钠离子和其他金属离子等污物，因为柠檬酸为弱酸，且使用量约为万分之六，稀释后的酸性溶液PH值为5-6，因此，以后几道工序只要在纯水中加入超声波就能彻底去除残留的柠檬酸液，且使用水量是传统工艺的八分之一。传统工艺在清洗后，要将硅片放入150℃的烘箱内烘干，去除水份。耗电量大，而且烘干后，硅片上因烘干前后温差变化悬殊会产生静电，在搬运过程中容易吸附环境中的灰尘，造成二次污染。这些污染在后续加工工艺中是无法去除的，降低了清洗的功效，又会使太阳能电池性能产生不利影响。本发明利用碳氢溶剂在添加表面活性剂后具备脱水的功能，以及硅片浸入碳氢溶剂后，能改变硅片表面极性，防止硅片表面产生静电，将硅片直接浸入碳氢溶剂中脱水，脱除的水会沉降到碳氢溶剂下面。同时，由于碳氢溶剂蒸发能力比水强，尤其是改变碳氢溶剂的焓值后，能快速蒸发，所以本发明的热焓干燥只要采用60-80℃的温度即可使硅片干燥，减少耗电量又真正确保洗净的效果。

传统蚀刻和清洗是建立在以强酸为主要清洗介质基础上设计的，其槽体机架、各零部件及厂房耐腐蚀性具有很高的要求，造价昂贵；而本发明则在防腐方面并无太高要求，只要除与液体接触部位采用SUS304不锈钢材料外，其他部位零部件表面均只需采用一般涂复处理。

附图说明

图1，工艺流程图

图2，一体化处理机结构示意图

图3，清洗篮升降装置示意图

图4，横移装置示意图

图5，超声波装置示意图

图6，介质供应装置示意图

图7，蚀刻槽结构示意图

具体实施方式

现结合附图对本发明作进一步说明：

单晶硅太阳能电池化学蚀刻、清洗、干燥的方法，包含有水、酸、碱参与蚀刻和洗净，其特点是：并有超声波参与蚀刻和清洗过程；由以下操作程序完成蚀刻、清洗、干燥：

①超声波预洗、预热：用水的清洗液清除硅片上的切割屑，冷却液等杂物，并将常温的硅片在清洗液中加热至40～50℃；

②超声波去损伤层：将硅片浸泡在80～90℃ 5％的NaOH的溶液中，浸泡5分钟，由超声波的空化气泡，均匀液体质量浓度，剥离损伤层；

③超声波制绒处理：将硅片先后浸泡在80～90℃，2-5％的NaOH，5-10％的异丙醇和余量为纯水的混合液4个槽的制绒液中，各浸泡5分钟，由超声波的空化气泡，均匀液体质量浓度，借助声波在液体中形成的空化作用，将附着在硅片表面的氢气气泡振裂，溢出；使制绒液充分与硅片接触，促使其形成均匀的棱锥纹理；

④超声波漂洗：硅片从制绒液中取出，放入超纯水中，用超声波的能量，置换出纹理根部的制绒液；

⑤超声波中和：水槽放置超纯水，并添加纯净的会用柠檬酸，添加量约为万分之六重量比，使PH值在5-6之间，当硅片进入酸性液体内，借助超声波，使硅片表面得到快速中和反应；

⑥超声波漂洗：本工序为逐级高置的3个槽，均流入超纯水，纯水从后道工位向前道工位由高位槽逐级向低位槽溢流；

⑦切水：俗称脱水，切水为2个工位，本工位槽体内放置碳氢溶剂，硅片浸入槽液，开启排水阀，排出下沉的水；

⑧热焓干燥：该工序利用温度、压力的变化，改变硅片残留的碳氢溶剂的焓，使其快速蒸发，该装置为一个槽体，槽体上部安装气动门；槽体外部配置3台风机，一台专送热风、一台专送冷风、另外一台专门抽风，热风机和冷风机交叉工作，忽冷忽热，而抽气和送风能微量改变槽体的压力；所有送风机吸入的空气都经过100级过滤。

所述的超声波是每升液体20W的功率分布，频率为40KHz；

所述的制绒液是液温为80～90℃，2-5％的NaOH，5-10％的异丙醇和余量为纯水的混合液；

单晶硅太阳能电池化学蚀刻、清洗、干燥的一体化处理机，包含放置单晶硅的清洗篮，移动清洗篮的传送机构，其结构是：放置单晶硅的清洗篮，由传送机构分别按序或同步送入超声波预洗、预热槽位1、超声波去损伤层槽位2、超声波制绒槽位3、超声波制绒槽位4、超声波制绒槽位5、超声波制绒槽位6、超声波漂洗槽位7、超声波中和槽位8、超声波漂洗槽位9、超声波漂洗槽位10、超声波漂洗槽位11、切水槽位12、切水槽位13、热焓干燥槽位14；

所述分别按序或同步送入槽位，是由升降装置15，和横移装置16操作实现，

并由各槽位的超声波装置17，介质供应装置18配合完成。所述的制绒槽其结构是采用上下复合槽体19，下槽20放置制绒液21，上槽22放置冷却盘管23，下槽底面集聚式倾斜24收集反应物硅酸纳，上槽的冷却盘管收集制械液中异丙醇的挥发气体，并捕捉部份加热过程中蒸发的水蒸气。

所述的介质供应装置是储液箱25、补液箱26、水泵27、定量加药装置28、电加热装置29组成。

气缸30安装在气缸机座31上，清洗篮34放置在托架33上，托架安装在直线轴承32上，整个托架在气缸推拉下可以在槽体35内上下移动。横移气缸36安装在固定机架37上，抓钩气缸36安装在固定机架37上，抓钩气缸38安装在连接杆39上，横移气缸缸杆与抓钩气缸缸杆用连接套40连接，连接板另一端与滑块41相连，抓钩支架43上部螺合在滑块上，抓钩支架的下部安装抓钩44，用于抓放清洗篮34。

制绒液46储存在储液槽25内，由电加热装置29加热，然后由水泵27抽取制绒液送入相应的蚀刻槽内，制绒液注满蚀刻槽后会从蚀刻槽上沿溢流回储液槽25，补液槽26会在储液槽缺液时自动补充，加药装置28定量补充NaOH和异丙醇。

在蚀刻槽19下部安装投入式超声波装置45，在预洗、中和、漂洗槽体47内安装底复式超声波装置48，所有超声波均通过制绒液21和纯水49传递能量。

Claims (6)

1，单晶硅太阳能电池化学蚀刻、清洗、干燥的方法，包含有水、酸、碱参与蚀刻和洗净，其特征是：并有超声波参与蚀刻和清洗过程；由以下操作程序完成蚀刻、清洗、干燥：

①超声波预洗、预热：用水的清洗液清除硅片上的切割屑，冷却液等杂物，并将常温的硅片在清洗液中加热至40～50℃；

②超声波去损伤层：将硅片浸泡在液温为80～90℃、5％的NaOH的溶液中，浸泡5分钟，由超声波的空化气泡，均匀液体质量浓度，剥离损伤层；

③超声波制绒处理：将硅片先后浸泡在80～90℃，2-5％的NaOH，5-10％的异丙醇和余量为纯水的混合液4个槽的制绒液中，各浸泡5分钟，并置入超声波；

④超声波漂洗：硅片从制绒液中取出，放入超纯水中，并置入超声波；

⑤超声波中和：水槽放置超纯水，并添加纯净的柠檬酸，添加量约为万分之六重量比，使PH值在5-6之间，当硅片进入酸性液体内，置入超声波；

⑥超声波漂洗：本工序为逐级高置的3个槽，均流入超纯水，纯水从后道工位向前道工位由高位槽逐级向低位槽溢流；

⑦切水：俗称脱水，切水为2个工位，本工位槽体内放置碳氢溶剂，硅片浸入槽液，开启排水阀，排出脱出的下沉的水；

⑧热焓干燥：槽体上部安装气动门；槽体外部配置3台风机，一台送热风、一台送冷风、另外一台抽风，热风机和冷风机交叉工作，所有送风机吸入的空气都经过100级过滤。

2，根据权利要求1所述的硅太阳能电池的蚀刻及洗净方法，其特征是：所述的超声波是每升液体20W的功率分布，频率为40KHz。

3，根据权利要求1所述的硅太阳能电池的蚀刻及洗净方法，其特征是：所述的制绒液是其浓度为2-5％的NaOH，5-10％的异丙醇和余量为纯水的混合液。

4，单晶硅太阳能电池化学蚀刻、清洗、干燥的一体化处理机，包含放置单晶硅清洗篮的槽体，移动清洗篮的传送机构，其特征是：放置单晶硅的清洗篮，由传送机构分别按序或同步送入超声波预洗预热槽位(1)、超声波去损伤层槽位(2)、超声波制绒槽位(3)、超声波制绒槽位(4)、超声波制绒槽位(5)、超声波制绒槽位(6)、超声波漂洗槽位(7)、超声波中和槽位(8)、超声波漂洗槽位(9)、超声波漂洗槽位(10)、超声波漂洗槽位(11)、切水槽位(12)、切水槽位(13)、热焓干燥槽位(14)；所述分别按序或同步送入槽位，是由升降装置(15)，和横移装置(16)操作实现，并由各槽位的超声波装置(17)，介质供应装置(18)配合完成。

5，根据权利要求4所述单晶硅太阳能电池化学蚀刻、清洗、干燥的一体化处理机，其特征是：所述的制绒槽其结构是采用上下复合槽体(19)，下槽(20)放置制绒液(21)，上槽(22)放置冷却盘管(23)，下槽底面集聚式倾斜(24)收集反应物硅酸纳，上槽的冷却盘管收集制绒液中异丙醇的挥发气体，并捕捉部份加热过程中蒸发的水蒸气。

6，根据权利要求4所述单晶硅太阳能电池化学蚀刻、清洗、干燥的一体化处理机，其特征是：所述的介质供应装置是储液箱(25)、补液箱(26)、水泵(27)、定量加药装置(28)、电加热装置(29)组成。

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