CN110872484B

CN110872484B - 一种金刚线切割硅棒用金刚石研磨液及其制备方法和应用

Info

Publication number: CN110872484B
Application number: CN201811001330.7A
Authority: CN
Inventors: 李飞龙; 郭庆红; 田云; 任钻元; 郝东东; 熊震; 朱军
Original assignee: Luoyang Csi Photovoltaic Technology Co ltd; CSI Cells Co Ltd; Atlas Sunshine Power Group Co Ltd
Current assignee: Luoyang Csi Photovoltaic Technology Co ltd; CSI Cells Co Ltd; Canadian Solar Inc
Priority date: 2018-08-30
Filing date: 2018-08-30
Publication date: 2021-07-02
Anticipated expiration: 2038-08-30
Also published as: CN110872484A

Abstract

本发明提供了一种金刚线切割硅棒用金刚石研磨液及其制备方法和应用，所述金刚石研磨液包括游离磨料、表面活性剂和水，在所述金刚石研磨液中游离磨料的质量百分含量为0.5‑10％，表面活性剂的质量百分含量为0.1‑3％。本发明通过对金刚石研磨液中游离磨料、表面活性剂成分含量的配合，使得增强金刚石切割液的切割性能，高加工硅片的表面质量，降低硅片碎片率。

Description

一种金刚线切割硅棒用金刚石研磨液及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于太阳能电池技术领域，涉及一种金刚线切割硅棒用金刚石研磨液及其制备方法和应用。

背景技术

随着能源危机以及雾霾、温室效应等环境问题的日趋严重，能源转型迫在眉睫。由于光伏能源具备清洁无污染，储量大等优势，光伏行业受到各国政府的大力支持，技术上取得了巨大的进步，得到越来越广泛的应用，太阳能成为当今最具发展潜力的新能源之一。

在过去的十年间，随着光伏贸易争端的升级以及行情的波动，光伏产业出现过产能过剩的现象，但市场对光伏清洁能源的需求仍会稳步增加，光伏发电已经进入大规模推广应用的时代。

实现光伏发电的器件是太阳能电池，主要分为晶硅(分为单晶和多晶)、薄膜以及第三代太阳能电池，其中技术最成熟、应用最广泛的就是晶硅太阳能电池，从目前的技术发展趋势来看，晶硅电池在未来10年内仍将保持其主导地位。经过了近十年的持续努力，我国晶硅电池产业取得了飞速的发展。光伏度电成本大幅下降，从2007年的8元/kWh降低至2016年的0.7元/kWh，降幅达到了80％以上。光伏发电成本逐步接近平价电力，产业链日趋成熟。目前我国光伏产业的头等目标仍然是脱离财政补贴、实现平价上网，在市场环境下与传统能源火电、水电等相竞争。达成平价上网的目标，是各个光伏企业的奋斗目标和努力方向，因此，唯有不断降低光伏制造的成本，才能使得光伏能源具备竞争性，得到市场的认可。对于晶体硅太阳能电池光伏组件，其硅片成本占总成本30-35％，而硅片的加工成本占到硅片成本的35％左右，硅片加工成本的降低是硅片环节降低成本的主要方向。

现有技术中，硅片加工技术主要有多线砂浆切割和金刚线切割两种。其中，多线砂浆切割是广泛采用的技术，其加工原理是由切割线的运动将磨料带到切割区域，在切割线的高速运动下，磨料在硅晶体表面滚动、摩擦、嵌入到材料的加工表面，使之产生裂纹和破碎，最终实现材料去除的目的。该技术的关键在于磨料的切割能力以及切割过程中的热力学行为，在实际应用中，选用聚乙二醇和碳化硅配置成悬浮液，通过砂浆管把砂浆罐内的砂浆喷撒到线网上，利用钢线携带砂浆与硅棒相对磨削达到切割的目的，同时，切割中使用过的砂浆通过回流系统再次流回到砂浆罐中，砂浆循环使用直至切割完成。而金刚线切割是将金刚石采用粘接或电镀的方式固定在直钢丝上进行高速往返切割，其优势主要体现在以下方面：(1)切割效率提升明显，较砂浆切割提升10倍，大大降低了设备折旧；(2)锯缝损失较少，硅料成本降低25％；(3)硅片表面粗糙度及表面残留金属杂质含量低，电池效率有0.1-0.2％的提升；(4)环保，使用水性切削液，避免了高COD聚乙二醇的引入。

基于上述切割优势，单多晶先后通过引入金刚线切割技术大幅降低了硅片成本，砂浆切片市场占比快速下降，逐渐退出硅片加工历史舞台。但硅晶体是一种高硬度、高脆性的材料，在金刚线切割过程中，容易出现线痕、隐裂和碎片等缺陷，占硅片总损失的3％-4％，严重影响硅片的良率以及电池片的生产成本。导致硅片出现上述缺陷的主要原因在于金刚线切片采用高速往返切割方式加工硅片，在金刚线加减速过程中，金刚线与硅棒之间存在较大的作用力，使得硅片表面存在沿钢线运行方向的切割纹路(切割纹路实际是沿切割方向密集排列的损伤坑)，由于存在切割纹路使得硅片的机械强度急剧下降，容易造成硅片碎裂。目前，各硅片企业，均把降低硅片碎片率，列入重要改善项目，作为降低成本的主要途径之一。

因此，在本领域中，期望能够从研磨液出发，以期望得到能够降低硅片碎片率，提高切割良率的方法。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种金刚线切割硅棒用金刚石研磨液及其制备方法和应用。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一方面，本发明提供一种金刚线切割硅棒用金刚石研磨液，所述金刚石研磨液包括游离磨料、表面活性剂和水，在所述金刚石研磨液中游离磨料的质量百分含量为0.5-10％，表面活性剂的质量百分含量为0.1-3％。

在本发明中，如果添加游离磨料过多，会加剧金刚石的磨损，导致切割能力下降，添加数量小，参与磨削的磨料过少，起不到研磨作用。在本发明中表面活性剂可以增大颗粒间的静电排斥力，增加颗粒间的亲水性，如果表面活性剂用量太少，则起不到上述的作用，如果表面活性剂用量太多，表面活性剂会产生自组合反应，易产生胶束，会增加磨粒的团聚使得切割性能下降。

在本发明中，所述游离磨料的质量百分含量可以为0.5％、0.8％、1％、1.3％、1.5％、1.8％、2％、2.5％、3％、3.5％、4％、4.5％、5％、5.5％、6％、6.5％、7％、7.5％、8％、8.5％、9％、9.5％或10％，优选2-5％。

优选地，所述游离磨料为金刚石微粉、立方氮化硼磨料或碳化硼磨料中的任意一种或至少两种的组合，优选金刚石微粉。

优选地，所述金刚石微粉的粒径为0.5-1.5μm，例如0.5μm、0.6μm、0.7μm、0.8μm、0.9μm、1.0μm、1.1μm、1.2μm、1.3μm、1.4μm或1.5μm。在本发明中，如果选择的金刚石微粉的粒径太小，则会大大消弱磨削的作用，甚至起不到磨削的作用，如果金刚石微粉的粒径太大，则应用时难以控制磨削力度，容易导致断线。

在本发明中，所述金刚石研磨液中表面活性剂的质量百分含量为0.1-3％，0.1-3％，例如0.1％、0.2％、0.3％、0.4％、0.45％、0.5％、0.55％、0.6％、0.8％、1％、1.3％、1.5％、1.8％、2％、2.3％、2.5％、2.8％或3％，优选0.1-0.6％。

优选地，所述表面活性剂包括三乙醇胺和硅酸钠。

在本发明中，三乙醇胺有两个作用，一方面增大颗粒间的静电排斥力，另一方面含有亲水基团，增加颗粒的亲水性，添加含量太少则作用不明显，添加含量太高则会使水发生解离，增加了溶液的电导率，造成颗粒团聚。

在本发明中，利用三乙醇胺和硅酸钠作为金刚石微粉的表面活性剂使用，可以很好地防止金刚石团聚，增加金刚石微粒的分散性，而且可以有助于提高加工硅片的表面质量，降低硅片碎片率。

优选地，所述表面活性剂中三乙醇胺和硅酸钠的质量比为1:3-4，例如1:3、1:3.2、1:3.3、1:3.4、1:3.5、1:3.6、1:3.7、1:3.8、1:3.9或1:4。

在本发明中，所述游离磨料为经过活化处理后的游离磨料，优选经过活化处理后的金刚石微粉。

另一方面，本发明提供了如上所述的金刚线切割硅棒用金刚石研磨液的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

将游离磨料、表面活性剂和水混合，分散得到所述金刚石研磨液；

优选地，所述制备方法为：将游离磨料在搅拌下加入至水中得到游离磨料分散液；将表面活性剂加入至所述游离磨料分散液中，搅拌得到所述金刚石研磨液。

优选地，所述游离磨料为经过活化处理后的游离磨料，优选经过活化处理后的金刚石微粉。

优选地，所述活化处理为：将游离磨料加入盐酸溶液中，加热至70-90℃(例如70℃、73℃、75℃、78℃、80℃、83℃、85℃、88℃或90℃)，保温10-30min(例如10min、13min、15min、18min、20min、23min、25min、28min或30min)，冷却后用纯水洗至pH值6-7之间(例如6、6.2、6.3、6.5、6.7、6.9或7.0)，烘干得到活化的游离磨料。

活化是为了增加游离磨料(例如金刚石)表面吸附点的密度，相当于表面粗糙化，使其表面吸附更多的活性剂，增加亲水性，可以更好的悬浮在水中，不活化会导致游离磨料与水不浸润，漂浮在表面，起不到切割或研磨作用。

优选地，所述盐酸溶液的浓度为20-30％，例如20％、21％、22％、23％、24％、25％、26％、27％、28％、29％或30％。

优选地，所述制备方法在金刚线切割机的冷却液罐体内完成。

优选地，所述将表面活性剂加入至所述游离磨料分散液中后搅拌的时间为30-60min，例如30min、33min、35min、38min、40min、43min、45min、48min、50min、53min、55min或60min。

作为优选技术方案，本发明所述金刚线切割硅棒用金刚石研磨液的制备方法包括以下具体步骤：

A、将金刚石微粉加入盐酸溶液中，加热至70-90℃，保温10-30min，冷却后用纯水洗至pH值6-7之间，烘干得到活化的金刚石微粉；

B、将水注入金刚线切割机的冷却液罐体内，开启搅拌和内循环；然后将活化后的金刚石微粉加入冷却液罐体内，搅拌均匀；

C、将三乙醇胺和硅酸钠，搅拌混合均匀后将其加入至步骤(1)得到的混合液中，搅拌30-60min，得到所述金刚石研磨液。

另一方面，本发明提供了如上所述的金刚线切割硅棒用金刚石研磨液在金刚线切割中的应用。

优选地，所述金刚线切割硅棒用金刚石研磨液与带固结磨粒的切割线一起使用。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

本发明通过对金刚石研磨液中游离磨料、表面活性剂成分含量的配合，使得增强金刚石切割液的切割性能，高加工硅片的表面质量，降低硅片碎片率。

本发明特别优选金刚石微粉作为游离磨料，利用三乙醇胺和硅酸钠作为其表面活性剂使用，可以很好地防止金刚石团聚，增加金刚石微粒的分散性，三乙醇胺和硅酸钠二者协同，有助于提高加工硅片的表面质量，降低硅片碎片率。

具体实施方式

下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。

实施例1

在本实施例中，金刚线切割硅棒用金刚石研磨液包括金刚石微粉、三乙醇胺、硅酸钠和水，在所述金刚石研磨液中金刚石微粉的质量百分含量为2.899％，三乙醇胺的质量百分含量为0.097％，硅酸钠的质量百分含量为0.386％，所述金刚石微粉为活化的金刚石微粉，所述金刚石微粉的粒径为0.5-1.5μm。

其制备方法为：将金刚石微粉加入浓度为20％的盐酸溶液中，加热至80℃，保温20min，冷却后用纯水洗至pH值6.5，烘干得到活化的金刚石微粉；将水注入金刚线切割机的冷却液罐体内，开启搅拌和内循环；然后将活化后的金刚石微粉加入冷却液罐体内，搅拌均匀；将三乙醇胺和硅酸钠，搅拌混合均匀后将其加入至步骤(1)得到的混合液中，搅拌60min，得到所述金刚石研磨液。

实施例2

在本实施例中，金刚线切割硅棒用金刚石研磨液包括金刚石微粉、三乙醇胺、硅酸钠和水，在所述金刚石研磨液中金刚石微粉的质量百分含量为2.894％，三乙醇胺的质量百分含量为0.125％，硅酸钠的质量百分含量为0.452％，所述金刚石微粉为活化的金刚石微粉，所述金刚石微粉的粒径为0.5-1.0μm。

其制备方法为：将金刚石微粉加入浓度为25％的盐酸溶液中，加热至75℃，保温30min，冷却后用纯水洗至pH值6，烘干得到活化的金刚石微粉；将水注入金刚线切割机的冷却液罐体内，开启搅拌和内循环；然后将活化后的金刚石微粉加入冷却液罐体内，搅拌均匀；将三乙醇胺和硅酸钠，搅拌混合均匀后将其加入至步骤(1)得到的混合液中，搅拌45min，得到所述金刚石研磨液。

实施例3

在本实施例中，金刚线切割硅棒用金刚石研磨液包括金刚石微粉、三乙醇胺、硅酸钠和水，在所述金刚石研磨液中金刚石微粉的质量百分含量为3.752％，三乙醇胺的质量百分含量为0.192％，硅酸钠的质量百分含量为0.575％，所述金刚石微粉为活化的金刚石微粉，所述金刚石微粉的粒径为0.5-1.0μm。

其制备方法为：将金刚石微粉加入浓度为10％的盐酸溶液中，加热至90℃，保温10min，冷却后用纯水洗至pH值7，烘干得到活化的金刚石微粉；将水注入金刚线切割机的冷却液罐体内，开启搅拌和内循环；然后将活化后的金刚石微粉加入冷却液罐体内，搅拌均匀；将三乙醇胺和硅酸钠，搅拌混合均匀后将其加入至步骤(1)得到的混合液中，搅拌45min，得到所述金刚石研磨液。

实施例4

在本实施例中，金刚线切割硅棒用金刚石研磨液包括金刚石微粉、三乙醇胺、硅酸钠和水，在所述金刚石研磨液中金刚石微粉的质量百分含量为4.375％，三乙醇胺的质量百分含量为0.096％，硅酸钠的质量百分含量为0.480％，所述金刚石微粉为活化的金刚石微粉，所述金刚石微粉的粒径为0.5-1.5μm。

其制备方法为：将金刚石微粉加入浓度为20％的盐酸溶液中，加热至80℃，保温10-30min，冷却后用纯水洗至pH值6.5，烘干得到活化的金刚石微粉；将水注入金刚线切割机的冷却液罐体内，开启搅拌和内循环；然后将活化后的金刚石微粉加入冷却液罐体内，搅拌均匀；将三乙醇胺和硅酸钠，搅拌混合均匀后将其加入至步骤(1)得到的混合液中，搅拌60min，得到所述金刚石研磨液。

实施例5

在本实施例中，金刚线切割硅棒用金刚石研磨液包括金刚石微粉、三乙醇胺、硅酸钠和水，在所述金刚石研磨液中金刚石微粉的质量百分含量为2.894％，三乙醇胺的质量百分含量为0.167％，硅酸钠的质量百分含量为0.383％，所述金刚石微粉为活化的金刚石微粉，所述金刚石微粉的粒径为0.5-1.5μm。

实施例6

在本实施例中，金刚线切割硅棒用金刚石研磨液包括金刚石微粉、三乙醇胺、硅酸钠和水，在所述金刚石研磨液中金刚石微粉的质量百分含量为3.812％，三乙醇胺的质量百分含量为0.153％，硅酸钠的质量百分含量为0.482％，所述金刚石微粉为活化的金刚石微粉，所述金刚石微粉的粒径为0.5-1.5μm。

其制备方法为：将金刚石微粉加入浓度为15％的盐酸溶液中，加热至85℃，保温25min，冷却后用纯水洗至pH值6.5，烘干得到活化的金刚石微粉；将水注入金刚线切割机的冷却液罐体内，开启搅拌和内循环；然后将活化后的金刚石微粉加入冷却液罐体内，搅拌均匀；将三乙醇胺和硅酸钠，搅拌混合均匀后将其加入至步骤(1)得到的混合液中，搅拌30min，得到所述金刚石研磨液。

实施例7

在本实施例中，金刚线切割硅棒用金刚石研磨液包括金刚石微粉、三乙醇胺、硅酸钠和水，在所述金刚石研磨液中金刚石微粉的质量百分含量为0.5％，三乙醇胺的质量百分含量为0.1％，硅酸钠的质量百分含量为0.3％，所述金刚石微粉为活化的金刚石微粉，所述金刚石微粉的粒径为0.5-1.5μm。

其制备方法为：将金刚石微粉加入浓度为10％的盐酸溶液中，加热至85℃，保温25min，冷却后用纯水洗至pH值7.0，烘干得到活化的金刚石微粉；将水注入金刚线切割机的冷却液罐体内，开启搅拌和内循环；然后将活化后的金刚石微粉加入冷却液罐体内，搅拌均匀；将三乙醇胺和硅酸钠，搅拌混合均匀后将其加入至步骤(1)得到的混合液中，搅拌60min，得到所述金刚石研磨液。

实施例8

在本实施例中，金刚线切割硅棒用金刚石研磨液包括金刚石微粉、三乙醇胺、硅酸钠和水，在所述金刚石研磨液中金刚石微粉的质量百分含量为10％，三乙醇胺的质量百分含量为0.5％，硅酸钠的质量百分含量为2％，所述金刚石微粉为活化的金刚石微粉，所述金刚石微粉的粒径为0.5-1.5μm。

其制备方法为：将金刚石微粉加入浓度为15％的盐酸溶液中，加热至85℃，保温25min，冷却后用纯水洗至pH值6.0，烘干得到活化的金刚石微粉；将水注入金刚线切割机的冷却液罐体内，开启搅拌和内循环；然后将活化后的金刚石微粉加入冷却液罐体内，搅拌均匀；将三乙醇胺和硅酸钠，搅拌混合均匀后将其加入至步骤(1)得到的混合液中，搅拌40min，得到所述金刚石研磨液。

实施例9

与实施例1不同之处仅在于，在所述金刚石研磨液中三乙醇胺的质量百分含量为0.161％，硅酸钠的质量百分含量为0.322％。

实施例10

与实施例1不同之处仅在于，在所述金刚石研磨液中三乙醇胺的质量百分含量为0.069％，硅酸钠的质量百分含量为0.414％。

对比例1

与实施例1不同之处仅在于，在本对比例中使用的金刚石微粉为未经活化处理的金刚石微粉。

对比例2

与实施例1不同之处仅在于，将实施例1中的三乙醇胺替换为十六烷基三甲基溴化铵。

对比例3

与实施例1不同之处仅在于，将实施例1中的硅酸钠替换为硅酸钾。

对比例4

与实施例1不同之处仅在于，在所述金刚石研磨液中金刚石微粉的质量百分含量为0.1％。

对比例5

与实施例1不同之处仅在于，在所述金刚石研磨液中金刚石微粉的质量百分含量为20％。

实施例11

将实施例1-10以及对比例1-5制备得到的金刚石研磨液用于金刚线切割，具体切割方法为：

将切割用的70μm电镀金刚线从金刚线切割机的放线室的放线轮上引出，通过小导轮将金刚线布置在主辊上对应的线槽内，待金钢线布满整个主辊后，将金刚线的线头引出至金刚线切割机的收线室的收线轮，完成线网的布线工作；

金刚线布置完成后，打开冷却液供应系统，冷却液流量设置为8500立方/小时，左右两侧建立相应的张力12N，热机循环；热机结束后，按照线速20m/s和台速0.3mm/min，进行双向切割；

切割完成后，停机、取下硅棒，对切割形成的硅片机械能脱胶、清洗和分选，完成多晶硅硅片的加工。

对于金刚石研磨液用于金刚线切割产生的效果见表1所示。

表1

由表1的数据可以看出，同样的工艺条件下(用线量相同，同样的工艺时间)，随着金刚石添加量的增加，直通率逐渐增加，主要表现为制程损耗和崩边的改善，当金刚石添加量达到4％以上时(例如实施例4)，制程损耗和崩边都有所增加，如果添加金刚石颗粒过多产生的团聚现象加剧，团聚金刚石会造成硅片表面损伤加重。而对比例中如果采用未经活化处理的金刚石微粉或者其加入的金刚石因为没有使用合适的分散剂造成严重的团聚和絮凝现象，导致各项异常超标，对比例4-5表明，如果金刚石微粉的质量百分含量太低或太高均会对切割效果产生不利的影响。

本发明通过上述实施例来说明本发明的金刚线切割硅棒用金刚石研磨液及其制备方法和应用，但本发明并不局限于上述实施例，即不意味着本发明必须依赖上述实施例才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims

1.一种金刚线切割硅棒用金刚石研磨液，其特征在于，所述金刚石研磨液由游离磨料、表面活性剂和水组成，在所述金刚石研磨液中游离磨料的质量百分含量为0.5-10％，表面活性剂的质量百分含量为0.1-3％；

所述表面活性剂包括三乙醇胺和硅酸钠，所述游离磨料为经过活化处理后的金刚石微粉；

所述金刚石微粉的粒径为0.5-1.5μm；

所述活化处理为：将游离磨料加入盐酸溶液中，加热至70-90℃，保温10-30min，冷却后用纯水洗至pH值6-7之间，烘干得到活化的游离磨料。

2.根据权利要求1所述的金刚线切割硅棒用金刚石研磨液，其特征在于，所述金刚石研磨液中游离磨料的质量百分含量为2-5％。

3.根据权利要求1所述的金刚线切割硅棒用金刚石研磨液，其特征在于，所述金刚石研磨液中表面活性剂的质量百分含量为0.1-0.6％。

4.根据权利要求1所述的金刚线切割硅棒用金刚石研磨液，其特征在于，所述表面活性剂中三乙醇胺和硅酸钠的质量比为1:3-4。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的金刚线切割硅棒用金刚石研磨液的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：

所述游离磨料为经过活化处理后的金刚石微粉。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法为：将游离磨料在搅拌下加入至水中得到游离磨料分散液；将表面活性剂加入至所述游离磨料分散液中，搅拌得到所述金刚石研磨液。

7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述活化处理为：将游离磨料加入盐酸溶液中，加热至70-90℃，保温10-30min，冷却后用纯水洗至pH值6-7之间，烘干得到活化的游离磨料。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述盐酸溶液的浓度为10-30％。

9.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法在金刚线切割机的冷却液罐体内完成。

10.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述将表面活性剂加入至所述游离磨料分散液中后搅拌的时间为30-60min。

11.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：

12.根据权利要求1-4中任一项所述的金刚线切割硅棒用金刚石研磨液在金刚线切割中的应用。

13.根据权利要求12所述的应用，其特征在于，所述金刚线切割硅棒用金刚石研磨液与带固结磨粒的切割线一起使用。