太陽能硅片清洗劑TF-014 的研制

陳同軍，袁 煒，唐 晨，姚佳麗

（1.浙江傳化功能新材料有限公司，浙江 杭州 310000；2.傳化智聯股份有限公司，浙江 杭州 311215）

近幾年，光伏行業在國內發展迅猛，中國光伏發電裝機容量已連續多年世界第一。在太陽能硅片加工環節，金剛線切割工藝的廣泛應用，大幅提高了切割效率，降低了切割環節輔料成本，但也給硅片表面的清洗帶來了新的挑戰[1]。硅片表面的污染物來源主要有加工器械帶來的污染、加工液的污染、環境污染、操作人員帶來的污染以及加工過程中硅片表面發生化學反應產生的污染等[2]。污染物的吸附方式可分為物理吸附和化學吸附[3]。物理吸附的作用力主要來自于固體和被吸附分子間的范德華引力，結合力比較小，因此這類污染物容易清洗。化學吸附的作用力來自于化學鍵合，包括共價鍵合和離子鍵合，其吸附熱比物理吸附大得多,因此要使化學吸附的雜質解吸需要更大的能量[4]。硅片表面污染物如圖1 所示[5]。

圖1 硅片表面污染物示意圖Fig.1 Schematic diagram of contaminants on the surface of silicon wafers

有機雜質、指紋在硅片上是以色散力和范德華力形成的物理吸附[6]，其結合力不強，可以通過表面活性劑的潤濕、乳化、分散等作用去除。金屬離子污染則可以通過清洗劑的螯合作用去除。硅粉等細小顆粒污染物隨著吸附時間的增長，分子間作用會逐漸由物理吸附向化學吸附轉變，隨著溶液分子的熱運動，在堿的作用下，表面活性劑分子會迅速在硅片和顆粒表面鋪展開，然后滲入硅片表面與吸附物之間，并向深處擴展，如同向界面打入了一個“楔子”，起著劈開的作用，最終將整個顆粒從硅片表面分離[7]。

金剛線切割工藝的應用，增加了硅片表面線痕量和粗糙度，使得污染物與硅片表面的結合力增大，增加了清洗難度。另外，隨著全國環保舉措的升級，各地的廢水排放標準一再升級，客戶對不含有機溶劑、低COD、無磷無氮等性能的硅片清洗劑需求越來越強烈。本文基于對表面活性劑構效關系及作用機理的研究，通過復配增效技術，制得具有優異去污能力、金屬螯合能力的清洗劑。此外，該清洗劑還具有易清洗不留白斑、無磷無氮、安全環保等特點。

1 實驗部分

1.1 主要原料

碳酸鈉、低泡表面活性劑6400、異構醇聚氧乙烯醚1309、非離子表面活性劑EH-3、葡萄糖酸鈉、去離子水：均為工業品。

1.2 清洗劑TF-014 的制備

將一定量的螯合劑葡萄糖酸鈉、碳酸鈉溶于適量的去離子水中，充分攪拌溶解后，緩慢加入低泡表面活性劑6400、異構醇聚氧乙烯醚1309和非離子表面活性劑EH-3，繼續攪拌至透明澄清溶液，即得清洗劑TF-014。

1.3 清洗劑性能指標

外觀：淡黃色液體；氣味：無刺激氣味；密度：1.02 g/cm3；pH：11.0～11.8；游離堿度：25～30 pt；氨氮含量：未檢出。

2 結果與討論

2.1 清洗劑組分選擇分析

（1）堿的作用主要是去除硅片表面的氧化膜和沉積在其中的顆粒及其他污染物。

碳酸鈉具有較好的除油效果，對皮膚的腐蝕作用小。在加入相同量堿的條件下，碳酸鈉處理的硅片表面較光滑，更有利于漂洗。另外，清洗液的堿性越強，隨著清洗的進行，pH 降低的幅度越大，清洗液的性質越不穩定。因此選擇堿性稍弱的碳酸鈉。

（2）表面活性劑能降低水溶液的表面張力，在水中形成膠束，能通過乳化分散作用將有機污染物、顆粒從硅片表面剝離下來[8]。同時，表面活性劑在固體顆粒的表面形成吸附層，增加了顆粒間的立體空間障礙，防止顆粒的重新聚集[9]。除了去污能力外，水溶性、易漂洗、環保性等性能也需要考慮。

表面活性劑6400 是一種低泡型的非離子表面活性劑，結構為環氧乙烷和環氧丙烷嵌段共聚物。具有優良的去污力、抗硬水能力、低泡易漂洗、溫和、無刺激性、生物降解性好等特點。

異構醇聚氧乙烯醚1309 易溶于水，具有優良的潤濕性、滲透性、乳化性、環保易降解等特點，可用于去除重度油污。

EH-3 是一種非離子表面活性劑，具有快速潤濕、可生物降解、低臭的特點，專為硬表面潤濕設計。

（3）鰲合劑對大部分金屬離子具有不同程度的鰲合能力，加入適量、合適的鰲合劑可以去除硅片表面的金屬離子污染物。除了關注鰲合劑的金屬離子鰲合能力、對金屬絡合物穩定外，還需考慮其環保及生物降解性。

葡萄糖酸鈉對鈣、鎂、鐵鹽以及重金屬離子具有很強的絡合能力，在全pH 范圍內均有作用，且不含磷、氨氮，綠色環保。

2.2 清洗劑的去污性能

清洗劑的潤濕、乳化、分散能力決定了其去污效果的好壞。對TF-014 和市場樣品的表面張力及去油效率進行測試，結果見表1。從表1 可以看出，TF-014 的表面張力略低于市場樣品，去油效率達到了100%，優于市場樣品。清洗劑除油效率根據輕工行業標準QB/T 2117—95《通用水基金屬清洗劑試驗方法》測試。

表1 不同清洗劑的表面張力和去油效率Tab.1 Surface tension and deoil efficiency of different cleaning agents

2.3 清洗劑的金屬離子螯合能力

對TF-014 與市場樣品對鈣、鎂、鐵等金屬離子的螯合能力進行檢測，結果見表2。結果顯示，TF-014 與市場樣品螯合金屬離子的能力相當，但TF-014 所用螯合劑不含氨氮、磷，更加環保，可以減輕客戶的環保壓力。金屬離子螯合能力根據GB/T 21884—2008 中的測試方法進行測試。

表2 不同清洗劑的螯合能力Tab.2 Chelating ability of different cleaning agents

2.4 清洗條件研究

2.4.1 清洗溫度對除油效率的影響

油污在清洗劑中的溶解速度和溶解量隨著溫度的升高而提高，因此升高溫度有利于提高清洗劑的溶解性能，從而容易去除油污。清洗溫度對除油效率的影響見圖2。從圖2 可知，隨著清洗溫度的升高，機械油污的去除效率得到提高。當清洗溫度升高到55 ℃時，去除效果最好。隨著溫度的進一步升高，除油效率開始下降。溫度過高時，非離子表面活性劑達到濁點，減弱了其清洗油污的能力。

圖2 清洗溫度對除油效率的影響Fig.2 The effect of cleaning temperature on oil removal efficiency

2.4.2 清洗時間對除油效率的影響

清洗時間與工廠的生產效率密切相關。實驗測得不同的清洗時間對除油效率的影響，見圖3。

圖3 清洗時間對除油效率的影響Fig.3 The effect of cleaning time on oil removal efficiency

由圖3 可知，隨著清洗時間的增長，除油效率增強。當清洗時間達到240 s，除油效率達到100%。

2.4.3 清洗濃度對除油效率的影響

在工業清洗的實際應用中，清洗劑的濃度是一個重點考查的因素。根據清洗的要求和油污的類型不同，清洗劑的使用濃度也不同。當水溶液中表面活性劑的濃度達到上限時，表面活性劑的除油效率顯著增大。當濃度進一步增大時，表面活性劑的除油效率增加不明顯。

由圖4 可知，隨著清洗劑使用濃度的增大，除油效率隨之提高，當清洗劑濃度達到時2%時，除油效率達到100%。

圖4 清洗濃度對除油效率的影響Fig.4 The effect of cleaning concentration on oil removal efficiency

2.5 應用案例

在某客戶處上機試驗，實驗設備為潔盟JM-12 型全自動超聲波硅片清洗機，超聲頻率設定為35 kHz。清洗流程見圖5，硅片先經一道清水洗槽預清洗，然后經兩道清洗劑洗槽清洗，最后再經兩道清水漂洗后烘干、檢測。清洗后的硅片表面要干凈，色澤一致，無花斑。TF-014 與市場樣品的清洗效果見表3。

圖5 硅片清洗流程

表3 清洗效果統計Tab.3 Cleaning effect statistics

從表3 可知，清洗劑TF-014 能夠有效去除硅片表面各種雜質，良品率高，清洗效果優于現有市場樣品。

3 結論

本文研制的硅片清洗劑TF-014 具有優異的去污和金屬離子螯合能力，清洗效果好且不殘留白斑、不含溶劑、不含氨氮、安全環保。在實際應用中，良品率高于市售清洗劑產品。推薦最佳使用條件為：清洗溫度為55 ℃，清洗時間為240 s，清洗濃度為2.5%。