CN109378286A - 一种电化学机械复合抛光不锈钢衬底的设备及工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电化学机械复合抛光不锈钢衬底的设备及工艺，其中设备包括机械三轴运动本体、复合阴极刀具、绝缘板和电解池，复合阴极刀具顶端与机械三轴运动本体传动连接，底端伸入电解池的电解液内；复合阴极刀具底端设置有不锈钢衬底，绝缘板安装在电解池内，并置于不锈钢衬底底端；电解池外接有电解电源，电解电源的正极与不锈钢衬底电连，电解电源的负极与复合阴极刀具电连。本发明提高了不锈钢衬底的抛光效率和精度，从而提高了太阳能电池对光的吸收率。
Description
技术领域
本发明属于太阳能电池组件技术领域，更具体的说是涉及一种电化学机械复合抛光不锈钢衬底的工艺。
背景技术
薄膜太阳能电池结构：自下而上依次为不锈钢柔性衬底扩散阻挡层、背电极(阻挡层和Mo)、CIGS吸收层、缓冲层、窗口层。位于最底层的柔性不锈钢衬底对薄膜太阳能电池的主要影响表现在以下几个方面：①表面粗糙度、②表面形貌平坦化、③表面化学成分，其中，①表面粗糙度会影响衬底与电池上层薄膜阻挡层和Mo层的结合强度，进而影响薄膜吸收层如光吸收率；②表面形貌平坦化会影响薄膜的形核和生长进而决定薄膜的形貌和平坦化程度；③表面化学成分会影响有害元素Fe和Cr在电池制造过程中扩散至薄膜吸收层从而降低电池光电转化效率，另外也可以起到阻挡层的作用。因此，不锈钢衬底的低表面粗糙度、高平整度和均匀致密的阻挡层成为表面处理的主要指标。
因此，如何提供一种能够有效除去阻挡层的电化学机械复合抛光不锈钢衬底的设备及工艺成为了本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种电化学机械复合抛光不锈钢衬底的设备及工艺，提高了不锈钢衬底的抛光效率和精度，从而提高了太阳能电池对光的吸收率。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种电化学机械复合抛光不锈钢衬底的设备，包括：机械三轴运动本体、复合阴极刀具、绝缘板和电解池，其中，所述复合阴极刀具顶端与所述机械三轴运动本体传动连接，底端伸入所述电解池的电解液内；所述复合阴极刀具底端设置有不锈钢衬底，所述绝缘板安装在所述电解池内，并置于所述不锈钢衬底底端；所述电解池外接有电解电源，所述电解电源的正极与所述不锈钢衬底电连，所述电解电源的负极与所述复合阴极刀具电连。
本发明采用复合阴极刀具对不锈钢衬底进行机械抛光处理，采用电解池对不锈钢衬底进行电化学抛光，实现了不锈钢衬底的电化学机械复合抛光，提高了不锈钢衬底的抛光效率和精度，降低了其表面粗糙度、提高了平整度，从而提高了不锈钢衬底的反射率，进而提高了太阳能电池对光的吸收率。
优选的，所述复合阴极刀具包括阴极结构和磨具结构，所述阴极结构与所述机械三轴运动本体相连，所述磨具结构安装于所述阴极结构底端。阴极结构一端与机械三轴运动本体相连，另一端与磨具结构相连，实现了磨具结构对不锈钢衬底的抛光打磨。
优选的，所述磨具结构包括外定位环、内定位环和多个磨块，多个所述磨块均匀分布在所述内定位环的外壁上，所述外定位环套设在多个所述磨块围成的圆环上。磨块设置在内定位环与外定位环之间，对磨块的位置起到限定作用，避免在抛光时磨块出现径向移动的问题。
优选的，所述阴极结构包括连接杆和固定卡头，所述固定卡头与所述连接杆相连，所述固定卡头远离所述连接杆的一端设置有卡槽，所述磨块卡接在所述卡槽内。通过卡槽可将磨块固定，同时连接杆的转动将会带动磨块的转动，从而对不锈钢衬底进行抛光。
优选的，所述卡槽内设置有压簧，所述压簧一端抵住所述固定卡头，另一端抵住所述磨块。压簧的设置保证了磨块与不锈钢衬底为弹性接触，通过选择合适弹簧系数和微小压缩变形，使得不锈钢衬底表面的接触力作用比直接接触要小得多。一方面减少了不锈钢衬底表面由于较大作用力而可能出现的缺陷，另一方面减少了磨具的磨损而提高加工的效率。
优选的，所述电解池底端开设有出液口，所述出液口通过出液管连接有循环液箱，所述循环液箱还连接有回液管，所述回液管的另一端位于所述电解池顶端的开口处，且所述回液管上安装有循环水泵。
优选的，所述机械三轴运动本体电性连接有电机控制器。通过电机控制器可调节机械三轴运动本体的工作参数。
一种电化学机械复合抛光不锈钢衬底的工艺，包括如下步骤：
(1)将复合阴极刀具与机械三轴运动本体相连；
(2)将不锈钢衬底置于复合阴极刀具底端，通过绝缘板支撑，并整体放置于电解池的电解液内；
(3)将所述电解电源的正极与所述不锈钢衬底电连，所述电解电源的负极与所述复合阴极刀具电连；
(4)设定机械三轴运动本体的转速为1600～1800rpm，给进速度75～85mm，调节不锈钢衬底与复合阴极刀具的压力为4.86～5.94KPa，调节电解电源的电压为7.5～20V。
(5)将不锈钢衬底表面电化学机械复合抛光3～15min，当不锈钢衬底表面完全程镜像时终止。
本发明采用复合阴极刀具对不锈钢衬底进行机械抛光处理，采用电解池对不锈钢衬底进行电化学抛光，实现了不锈钢衬底的电化学机械复合抛光，降低了其表面粗糙度、提高了平整度，从而提高了不锈钢衬底的反射率，进而提高了太阳能电池对光的吸收率。
优选的，设定机械三轴运动本体的转速为1700rpm，给进速度80mm，调节不锈钢衬底与复合阴极刀具的压力为5.4KPa，调节电解电源的电压为8.0V。参数的设定，在保证加工效率的前提下，最大限度的提高了不锈钢衬底的反射率。
优选的，所述电解液为NaNO3电解液。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1附图为本发明的结构示意图。
图2附图为本发明复合阴极刀具的结构示意图。
图3附图为本发明阴极结构的结构示意图。
图4附图为本发明磨具结构的结构示意图。
图5为Ra实验与拟合数据图(原始数据拟合)。
图6为Ra实验与拟合数据图(修正后数据拟合)。
图7为MRR实验与拟合数据图(原始数据拟合)。
图8为MRR实验与拟合数据图(修正后数据拟合)。
其中，图中，
1-复合阴极刀具；2-绝缘板；3-电解池；4-不锈钢衬底；5-机械三轴运动本体；6-电解电源；7-阴极结构；8-磨具结构；9-外定位环；10-内定位环；11-磨块；12-连接杆；13-固定卡头；14-卡槽；15-压簧；16-出液口；17-出液管；18-循环液箱；19-回液管；20-循环水泵。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅附图1-4，本发明提供了一种电化学机械复合抛光不锈钢衬底的设备，包括：机械三轴运动本体5、复合阴极刀具1、绝缘板2和电解池3，其中，复合阴极刀具1顶端与机械三轴运动本体5传动连接，底端伸入电解池3的电解液内；复合阴极刀具1底端设置有不锈钢衬底4，绝缘板2安装在电解池3内，并置于不锈钢衬底4底端；电解池3外接有电解电源6，电解电源6的正极与不锈钢衬底4电连，电解电源6的负极与复合阴极刀具1电连。
为了进一步优化上述技术方案，复合阴极刀具1包括阴极结构7和磨具结构8，阴极结构7与机械三轴运动本体5相连，磨具结构8安装于阴极结构7底端。阴极结构7一端与机械三轴运动本体5相连，另一端与磨具结构8相连，实现了磨具结构8对不锈钢衬底4的抛光打磨。其中，阴极结构7采用铜材制作而成，主要用来对不锈钢衬底表面进行腐蚀去除。
为了进一步优化上述技术方案，磨具结构8包括外定位环9、内定位环10和多个磨块11，多个磨块11均匀分布在内定位环10的外壁上，外定位环9套设在多个磨块11围成的圆环上。磨块11设置在内定位环10与外定位环9之间，对磨块11的位置起到限定作用，避免在抛光时磨块11出现径向移动的问题。其中，磨块11采用精密加工磨料白刚玉制作而成，主要用于刮擦去除软化腐蚀层，内定位环10和外定位环9采用绝缘材料制作而成，主要用于限制磨块11的径向运动与铜的杂蚀。
为了进一步优化上述技术方案，阴极结构7包括连接杆12和固定卡头13，固定卡头13与连接杆12相连，固定卡头13远离连接杆12的一端设置有卡槽14，磨块11卡接在卡槽14内。通过卡槽14可将磨块11固定，同时连接杆12的转动将会带动磨块11的转动，从而对不锈钢衬底4进行抛光。
为了进一步优化上述技术方案，卡槽14内设置有压簧15，压簧15一端抵住固定卡头13，另一端抵住磨块11。压簧15的设置保证了磨块11与不锈钢衬底4为弹性接触，通过选择合适弹簧系数和微小压缩变形的弹簧15，使得不锈钢衬底4表面的接触力作用比直接接触要小得多。此外，通过压簧15为磨块11提供可调的正压力，一方面减少了不锈钢衬底4表面由于较大作用力而可能出现的缺陷，另一方面减少了磨块11的磨损而提高加工的效率。
为了进一步优化上述技术方案，电解池3底端开设有出液口16，出液口16通过出液管17连接有循环液箱18，循环液箱18还连接有回液管19，回液管19的另一端位于电解池3顶端的开口处，且回液管19上安装有循环水泵20。电解液循环可以保证其浓度，不仅能够在复合阴极刀具1和不锈钢衬底4间隙中充分运送阳离子，使得不锈钢衬底4与复合阴极刀1具导通电流，而且可去除在加工间隙中的电解与磨削产物，并且能够及时带走加工时产生的热量。
为了进一步优化上述技术方案，机械三轴运动本体5电性连接有电机控制器。通过电机控制器可调节机械三轴运动本体5的工作参数。
本发明采用复合阴极刀具1对不锈钢衬底4进行机械抛光处理，采用电解池3对不锈钢衬底4进行电化学抛光，实现了不锈钢衬底4的电化学机械复合抛光，降低了其表面粗糙度、提高了平整度，从而提高了不锈钢衬底4的反射率，进而提高了太阳能电池对光的吸收率。
本发明还提供了一种电化学机械复合抛光不锈钢衬底的工艺，包括如下步骤：
(1)将复合阴极刀具1与机械三轴运动本体5相连；
(2)将不锈钢衬底4置于复合阴极刀具1底端，通过绝缘板2支撑，并整体放置于电解池3的电解液内；
(3)将电解电源6的正极与不锈钢衬底4电连，电解电源6的负极与复合阴极刀具1电连；
(4)设定机械三轴运动本体5的转速为1600～1800rpm，给进速度75～85mm，调节不锈钢衬底4与复合阴极刀具1的压力为4.86～5.94KPa，调节电解电源6的电压为7.5～20V。
(5)将不锈钢衬底4表面电化学机械复合抛光3～15min，当不锈钢衬底4表面完全程镜像时终止。
为了进一步优化上述技术方案，设定机械三轴运动本体5的转速为1700rpm，给进速度80mm，调节不锈钢衬底4与复合阴极刀具1的压力为5.4KPa，调节电解电源6的电压为8.0V。参数的设定，在保证加工效率的前提下，最大限度的提高了不锈钢衬底4的反射率。
为了进一步优化上述技术方案，电解液6为NaNO3电解液。电解液6配方采用NaNO3粉末加入RO反渗透水中，调配重量百分比浓度20％左右。NaNO3腐蚀性小，无毒及稳定性高，价格低廉且对环境无害，NaNO3电解液导电性能强可以减少加工过程产生热量。黏度低使得加工工程离子流动能够很顺畅，有利于电解顺利进行。
本发明采用复合阴极刀具1对不锈钢衬底4进行机械抛光处理，采用电解池3对不锈钢衬底4进行电化学抛光，实现了不锈钢衬底4的电化学机械复合抛光，降低了其表面粗糙度、提高了平整度，从而提高了不锈钢衬底4的反射率，进而提高了太阳能电池对光的吸收率。
不锈钢衬底4表面材料的微量去除包括电化学腐蚀、机械研磨去除和两者复合作用下的去除，因而单一的法拉第材料溶解和泊松方程不足以描述电化学机械复合加工，但两种模型独立不耦合作用下的材料去除率可作为电化学机械复合作用中材料去除率的组成部分，剩余的材料去除率则是两者耦合作用下产生的。
(1)结合法拉第和欧姆定律分析建立了ECM的材料去除模型介绍了ECM电极间的等效模型，等效阻抗及相关的检测分析方法。
(2)分析了磨粒光整加工中磨粒的作用种类和以及单个磨粒在运动状态下的材料去除率MRR＝KPv或
(3)在ECM和MP材料去除机理模型的基础上，结合黏着摩擦理论初步分析了复合电化学中材料腐蚀、表面钝化被刮除的原理以及复合加工的材料去除模型或
结合阴极结构分析电流密度与加工间隙、加工电压和电解液电导率间的关系，如下式：
下表为电化学加工电压和电流密度间的对应关系：
本发明结合复合阴极刀具1分析外载荷压力P与阴极z向进给的对应关系，如下：
k＝0.55N/mm
下表为z向位移与研抛正压力对应关系：
实验例：
参照附图5-8，对加工前后304不锈钢衬底表面进行系列检测，加工前后测量表面均在1700rpm转速、8V电压、0.2mm(P＝5.4KPa)正压力、80mm/min进给速度工艺条件下的结果，此条件下的Ra和MRR分别为13nm(测量面积127.32×95.45μm2)和0.026g/min。
薄膜太阳能电池柔性不锈钢要求为：基板厚度小于等于0.3mm，表面粗糙度小于等于Ra 500nm。因此，实验选择材料为奥氏体304(0Cr18Ni9)其基本化学组成如表1所示，加工零件的规格尺寸为：50×50×0.3mm，原始表面粗糙度Ra 124nm(测量面积127.32×95.45μm2)。
表1奥氏体304化学元素组成
在复合阴极不加外部电源的情况下进行MP实验，工艺参数：主轴转速n、进给速度f、正压力p(z)。
Ra与MRR回归模型建立：
采用二次多项式对实验数据进行回归分析，原始模型为：
利用1stOpt软件，通过拟合数据得到得到MRR与Ra的回归模型公式：
Ra＝-0.0864398193180319+3.60648160940004E-5n+0.0157500008682437U+0.0650000005949746z+0.000758333348499908f-7.87037055389591E-9n2-0.000708333384630679U2-0.0333333349459059z2-2.08333334042663E-6f2-1.25000008652183E-6nU+4.16666542702704E-6nz-2.29166663272309E-7nf-0.00499999956395967Uz-5.00000024912289E-5Uf+0.000624999992876825zf
R2≈0.33
其中，附图5为Ra实验与拟合数据图(原始数据拟合)，附图6,为Ra实验与拟合数据图(修正后数据拟合)，附图7为MRR实验与拟合数据图(原始数据拟合)，附图8为MRR实验与拟合数据图(原始数据拟合)，通过对比附图5和6以及附图7和8。
根据不锈钢衬底4的要求，在1700rpm转速、8V电压、0.2mm(P＝5.4KPa)正压力、80mm/min进给速度的优选组合下，实验结果为：Ra从124nm降低至13nm(测量面积127.32×95.45μm2)，镜面效果显著提高；MRR为0.026g/min，采用复合阴极刀具1对不锈钢衬底4进行机械抛光处理，采用电解池3对不锈钢衬底4进行电化学抛光，实现了不锈钢衬底4的电化学机械复合抛光，降低了其表面粗糙度、提高了平整度，从而提高了不锈钢衬底4的反射率。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种电化学机械复合抛光不锈钢衬底的设备，其特征在于，包括：机械三轴运动本体(5)、复合阴极刀具(1)、绝缘板(2)和电解池(3)，其中，所述复合阴极刀具(1)顶端与所述机械三轴运动本体(5)传动连接，底端伸入所述电解池(3)的电解液内；所述复合阴极刀具(1)底端设置有不锈钢衬底(4)，所述绝缘板(2)安装在所述电解池(3)内，并置于所述不锈钢衬底(4)底端；所述电解池(3)外接有电解电源(6)，所述电解电源(6)的正极与所述不锈钢衬底(4)电连，所述电解电源(6)的负极与所述复合阴极刀具(1)电连。
2.根据权利要求1所述的一种电化学机械复合抛光不锈钢衬底的设备，其特征在于，所述复合阴极刀具(1)包括阴极结构(7)和磨具结构(8)，所述阴极结构(7)与所述机械三轴运动本体(5)相连，所述磨具结构(8)安装于所述阴极结构(7)底端。
3.根据权利要求2所述的一种电化学机械复合抛光不锈钢衬底的设备，其特征在于，所述磨具结构(8)包括外定位环(9)、内定位环(10)和多个磨块(11)，多个所述磨块(11)均匀分布在所述内定位环(10)的外壁上，所述外定位环(9)套设在多个所述磨块(11)围成的圆环上。
4.根据权利要求3所述的一种电化学机械复合抛光不锈钢衬底的设备，其特征在于，所述阴极结构(7)包括连接杆(12)和固定卡头(13)，所述固定卡头(13)与所述连接杆(12)相连，所述固定卡头(13)远离所述连接杆(12)的一端设置有卡槽(14)，所述磨块(11)卡接在所述卡槽(14)内。
5.根据权利要求4所述的一种电化学机械复合抛光不锈钢衬底的设备，其特征在于，所述卡槽(14)内设置有压簧(15)，所述压簧(15)一端抵住所述固定卡头(13)，另一端抵住所述磨块(11)。
6.根据权利要求1所述的一种电化学机械复合抛光不锈钢衬底的设备，其特征在于，所述电解池(3)底端开设有出液口(16)，所述出液口(16)通过出液管(17)连接有循环液箱(18)，所述循环液箱(18)还连接有回液管(19)，所述回液管(19)的另一端位于所述电解池(3)顶端的开口处，且所述回液管(19)上安装有循环水泵(20)。
7.根据权利要求1所述的一种电化学机械复合抛光不锈钢衬底的设备，其特征在于，所述机械三轴运动本体(5)电性连接有电机控制器。
8.根据权利要求1所述的一种电化学机械复合抛光不锈钢衬底的工艺，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将复合阴极刀具(1)与机械三轴运动本体(5)相连；
(2)将不锈钢衬底(4)置于复合阴极刀具(1)底端，通过绝缘板(2)支撑，并整体放置于电解池(3)的电解液内；
(3)将所述电解电源(6)的正极与所述不锈钢衬底(4)电连，所述电解电源(6)的负极与所述复合阴极刀具(1)电连；
(4)设定机械三轴运动本体(5)的转速为1600～1800rpm，给进速度75～85mm，调节不锈钢衬底(4)与复合阴极刀具(1)的压力为4.86～5.94KPa，调节电解电源(6)的电压为7.5～20V。
(5)将不锈钢衬底(4)表面电化学机械复合抛光3～15min，当不锈钢衬底(4)表面完全程镜像时终止。
9.根据权利要求1所述的一种电化学机械复合抛光不锈钢衬底的工艺，其特征在于，设定机械三轴运动本体(5)的转速为1700rpm，给进速度80mm，调节不锈钢衬底(4)与复合阴极刀具(1)的压力为5.4KPa，调节电解电源(6)的电压为8.0V。
10.根据权利要求1所述的一种电化学机械复合抛光不锈钢衬底的工艺，其特征在于，所述电解液为NaNO3电解液。
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