CN106957710A - 一种基于剪切增稠机理的太阳能硅片切割液及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于剪切增稠机理的太阳能硅片切割液，该切割液由微/纳二氧化硅颗粒、分散介质和SiC粉体组成，通过在分散介质中溶入一定份数的微/纳二氧化硅颗粒，形成有剪切增稠效果的切割液。主要制备步骤包括：将微/纳粒子溶于预处理分散介质中，得到预混液；将预混液进一步分散在分散介质中，得到微/纳二氧化硅分散体系；将SiC粉体加入分散体系中，得到新型剪切增稠太阳能硅片切割液。其相对于现有太阳能多晶硅片切割液具有更好的分散性、稳定性和剪切增稠性能，同时切割成本更低，切割表面质量更好。本发明的基于剪切增稠机理的太阳能硅片切割液的制备工艺简单，操作方便，容易实现工业化生产。

Description

一种基于剪切增稠机理的太阳能硅片切割液及其制备方法
技术领域
本发明涉及微纳米粉体应用技术领域，特别是涉及一种基于剪切增稠机理的太阳能硅片切割液及其制备方法。
背景技术
近年来，随着人们环保意识的加强，太阳能作为绿色资源已被广泛应用。其中硅基材料为太阳能光伏的主要材料，约占世界光伏电池的85％以上。硅片作为光伏产业的前端产品，在整个产业链中占据重要地位。目前硅片加工主要采用多线切割的方式，即数千条直钢线带着磨料和切割液到达切割区域，磨料在直钢线高速运动的带动下，通过镶嵌、划擦或滚压等方式对硅锭进行切割，从而实现快速加工的目的。
为了增加切割速率，希望磨料能够尽可能多的被钢线带入切割锯缝，并且做到钢线传递给磨料的切割力最大化。因此主要采用如下几种方式对传统砂浆切割进行改善。一是使用金刚石代替传统的碳化硅(SiC)，并固定在直钢线上往复切割，即固结磨料金刚线切割；二是使用变形钢线代替直钢线，带着更多的游离碳化硅进行切割，即结构线切割；三是在原有切割液聚乙二醇(PEG)中添加化学品，提高SiC的悬浮性能，即化学添加剂切割。
如上切割方法各有优缺点。金刚线切割虽然能够提高金刚石的切割力和利用率，具有切割速度快，切割精度高，材料损耗低等优点，而且各生产商有逐渐向金刚线切割过渡的趋势，但是仍存在金刚线成本高(砂线液成本大约是游离砂浆切割的1.5倍)，切割过程中断线后焊接困难，处理良率低，切割的多晶硅片在电池后道工艺中制绒困难等问题。结构线切割虽然能够大幅降低切割用游离砂浆用量(大约是正常砂浆用量的75％)，切割速度快，而且有少数生产商已批量使用结构线，但是也存在钢线成本高(大约是正常直钢线的1.3倍)，切割过程中断线后焊接困难，处理良率低等问题。化学添加剂切割目前仅在少数生产商中试用，切割改善效果还需要进一步论证检验，而且其化学试剂的配制过程比较复杂，不适用于大批量生产，残留在回收SiC表面的化学试剂含量不能有效控制，且存在对切割产生不良影响的风险。
因此为进一步降低硅片切割成本，以及断线、化学品附着等所带来的切割风险，急需在不用改变直钢线形态的情况下，使用一种新的材料，能够使得含有SiC游离磨料的砂浆在直钢线高速剪切力的带动下，表观粘度急剧上升，甚至由液相转化为固相，相当于SiC磨粒附着在直钢线表面，形成类似固结磨料的结构，提高SiC的利用率和切割力，又能在通过切割表面后由于没有高速剪切力的作用，重新恢复成液态，表观粘度恢复到正常水平，从而使SiC均匀分散在切割液中，便于后续SiC的回收再利用。这种能够随剪切速率的变化，粘度急剧升高又降低的液体被称为剪切增稠液体。剪切增稠效应是一种非牛顿流体行为，其变化是可逆的。
综上所述，如果在SiC和PEG组成的传统切割砂浆中添加纳米材料，就有可能形成一种在低剪切速率下表观粘度低，而在高剪切速率下，表观粘度急剧升高的新型切割砂浆，使得其在切割过程中，更多的SiC磨粒粘附在直钢线表面，提高SiC的利用率和切割力，从而提高切割速率，降低砂浆用量，大幅降低切割成本成为可能。
发明内容
针对目前直钢线多线切割速度慢，切割质量差，切割成本高以及结构线、金刚线切割成本高、质量不容易控制等问题，本发明提出了一种切割能力强、效率高、成本低，制备方式简单的基于非牛顿流体剪切增稠机理的太阳能多晶硅片切割液及其制备方法。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于剪切增稠机理的太阳能硅片切割液，包括分散介质和SiC粉体，还包括纳米二氧化硅颗粒。
一种基于剪切增稠机理的太阳能硅片切割液的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：将纳米二氧化硅颗粒溶于预处理分散介质中，纳米二氧化硅颗粒与预处理分散介质的质量比为1：50～60，在800～1000r/min条件下搅拌30～60min，得到纳米二氧化硅溶液；
步骤2：称取0.3～0.6重量份的经过步骤1预处理后的纳米二氧化硅溶液，加入到0.7～0.4重量份的分散介质中，在800～1000r/min的条件下搅拌30～60min，然后用超声波清洗器在200W功率下超声分散30～60min后，得到纳米二氧化硅分散体系；
步骤3：取步骤2制备的纳米二氧化硅分散体系，在不断搅拌的条件下，向体系中加入0.3～0.7重量份的SiC粉体，待加入完毕后继续搅拌，得到太阳能硅片切割液。
优选的，所述纳米二氧化硅颗粒的粒径为10nm～1000nm。
更优选的，所述纳米二氧化硅颗粒的粒径为50nm-500nm。
优选的，步骤1中所述预处理分散介质为羟基硅油、乙醇、聚乙二醇、二乙二醇、丙二醇、丙三醇中的一种或几种。
更优选的，所述聚乙二醇为PEG200、PEG300、PEG400、PEG500、PEG600中的一种或多种。
优选的，步骤2中所述分散介质为聚乙二醇。
更优选的，所述聚乙二醇为PEG200、PEG300、PEG400、PEG500、PEG600中的一种或多种。
更优选的，所述羟基硅油为羟基封端的聚硅氧烷，粘度在10～100mPas。
本发明的有益效果为：
1、在浆料缸低搅拌速度下表观粘度低，不影响切割液在切片机中的搅拌、流动、喷淋等，而在高的剪切速率下，即直钢线以10-15米/秒的速度携带切割液进入切割锯缝时，表观粘度急剧升高，使得在切割过程中，更多的SiC磨粒粘附在直钢线表面，提高SiC的利用率和切割能力，从而提高切割速率、降低砂浆用量，大幅降低切割成本；
2、相对于现有太阳能多晶硅片切割液具有更好的分散性、稳定性和剪切增稠性能，同时切割成本更低，切割表面质量更好；
3、制备工艺简单，操作方便，容易实现工业化生产。
附图说明
图1为储能模量G'耗损模量G”与剪切频率的关系。
具体实施方式
本发明提供一种基于剪切增稠机理的太阳能硅片切割液，该切割液由微/纳二氧化硅颗粒、分散介质和SiC粉体组成，通过在分散介质中溶入一定份数的微/纳二氧化硅颗粒，形成有剪切增稠效果的切割液。其制备方法包括以下步骤：
1、微/纳二氧化硅的预处理：取一定量的微/纳粒子溶于预处理分散介质中，微/纳二氧化硅与预处理分散介质的质量比为1：50～60，在800～1000r/min条件下搅拌30～60min；
2、微/纳二氧化硅分散体系的制备：称取0.3～0.6重量份的经过步骤1预处理后的微/纳二氧化硅溶液，加入到0.7～0.4重量份的分散介质中，在800～1000r/min的条件下搅拌30～60min，然后用超声波清洗器在200W功率下超声分散30～60min后，得微/纳二氧化硅分散体系；
3、新型剪切增稠太阳能硅片切割液的制备：取步骤2制备的分散体系，在不断搅拌的条件下，向体系中加入0.3～0.7重量份的SiC粉体，待加入完毕后继续机械搅拌2h后，得到新型剪切增稠太阳能硅片切割液。
所述的微/纳二氧化硅粒径在10nm～1000nm；优选在50nm-500nm；
步骤1中所述的预处理分散介质包括：羟基硅油、乙醇、聚乙二醇、二乙二醇、丙二醇、丙三醇中的一种或几种；优选羟基硅油；
步骤2中所述的分散介质为聚乙二醇；
所述聚乙二醇选自PEG200、PEG300、PEG400、PEG500、PEG600中的一种或多种；优选PEG200、PEG300；
所述的羟基硅油选自羟基封端的聚硅氧烷，粘度在10～100mPas。
以下通过具体但非限制性的实例对本发明做进一步的说明。
实施例1：
分别取250ml羟基硅油加入250ml乙二醇中，在3L容器中搅拌均匀；取10克纳米二氧化硅颗粒，加入到上述分散介质中，在950r/min条件下搅拌60min；待分散均匀后在加入500ml PEG200在800r/min条件下搅拌40min；然后用超声波清洗器在200W功率下超声分散30min后，得二氧化硅分散体系；在不断搅拌的条件下，向体系中加入600克粒径D50在10um的SiC粉体，待加入完毕后继续机械搅拌2h后，得到新型剪切增稠太阳能硅片切割液。
从附图1可以看出切割液具有很好的剪切增稠性能。
实施例2：
按照实施例1的制备方法和条件，使用二乙二醇、PEG300也可得到碳化硅分散到二氧化硅分散体系中的切割液；
实施例3：
按照实施例1的制备方法和条件，改变SiC粉体的比例，可以得到高固含量的二氧化硅分散体系切割液。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于剪切增稠机理的太阳能硅片切割液，包括分散介质和SiC粉体，其特征在于，还包括纳米二氧化硅颗粒。
2.一种基于剪切增稠机理的太阳能硅片切割液的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：将纳米二氧化硅颗粒溶于预处理分散介质中，纳米二氧化硅颗粒与预处理分散介质的质量比为1：50～60，在800～1000r/min条件下搅拌30～60min，得到纳米二氧化硅溶液；
步骤2：称取0.3～0.6重量份的经过步骤1预处理后的纳米二氧化硅溶液，加入到0.7～0.4重量份的分散介质中，在800～1000r/min的条件下搅拌30～60min，然后用超声波清洗器在200W功率下超声分散30～60min后，得到纳米二氧化硅分散体系；
步骤3：取步骤2制备的纳米二氧化硅分散体系，在不断搅拌的条件下，向体系中加入0.3～0.7重量份的SiC粉体，待加入完毕后继续搅拌，得到太阳能硅片切割液。
3.根据权利要求2所述的一种基于剪切增稠机理的太阳能硅片切割液的制备方法，其特征在于，所述纳米二氧化硅颗粒的粒径为10nm～1000nm。
4.根据权利要求2所述的一种基于剪切增稠机理的太阳能硅片切割液的制备方法，其特征在于，所述纳米二氧化硅颗粒的粒径为50nm-500nm。
5.根据权利要求2所述的一种基于剪切增稠机理的太阳能硅片切割液的制备方法，其特征在于，步骤1中所述预处理分散介质为羟基硅油、乙醇、聚乙二醇、二乙二醇、丙二醇、丙三醇中的一种或几种。
6.根据权利要求5所述的一种基于剪切增稠机理的太阳能硅片切割液的制备方法，其特征在于，所述聚乙二醇为PEG200、PEG300、PEG400、PEG500、PEG600中的一种或多种。
7.根据权利要求2所述的一种基于剪切增稠机理的太阳能硅片切割液的制备方法，其特征在于，步骤2中所述分散介质为聚乙二醇。
8.根据权利要求7所述的一种基于剪切增稠机理的太阳能硅片切割液的制备方法，其特征在于，所述聚乙二醇为PEG200、PEG300、PEG400、PEG500、PEG600中的一种或多种。
9.根据权利要求5所述的一种基于剪切增稠机理的太阳能硅片切割液的制备方法，其特征在于，所述羟基硅油为羟基封端的聚硅氧烷，粘度在10～100mPas。
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