CN109370440A - 一种太阳能电池背抛单晶硅片用抛光液 - Google Patents

Abstract

本发明涉及研磨抛光材料技术领域，具体涉及一种太阳能电池背抛单晶硅片用抛光液。抛光液的组分包括：主磨料、助清除剂、二甲基吡啶、表面活性剂、葡甘露聚糖、赖氨酸、有机溶剂和去离子水。其中，主磨料为硅溶胶，硅溶胶中粒子的粒径为30‑55nm；有机溶剂为乙醇和异丙醇的混合物，混合物中异丙醇的体积分数为18‑22%；表面活性剂为两性表面活性剂，选择烷基二甲基甜菜碱、烷基氨基丙酸盐、烷基乙氧基磺基甜菜碱中的一种或任意多种的混合物；该型抛光液不仅具有良好的抛光效果，对基面具有保护作用，降低硅片缺陷率；而且非常容易清除，更加绿色环保。

Description

一种太阳能电池背抛单晶硅片用抛光液

技术领域

本发明涉及研磨抛光材料技术领域，具体涉及一种太阳能电池背抛单晶硅片用抛光液。

背景技术

风能、水能、地热能、太阳能、核能等清洁能源是未来能源产业发展的方向。太阳能是最主要的清洁能源的形式，在所有新能源种类中最为安全环保，可利用的能源储量也非常大，发展前景非常广阔。太阳能利用的技术路线主要包括光伏和光热两种，其中光伏太阳能的发展最为迅速，我国是世界上光伏电站装机容量和光伏设备产量最大的国家之一。

光伏太阳能组件中最核心的设备是太阳能电池板，这种电池板由单晶硅制备而成，可以光能转化为电能。常规单晶硅太阳能电池由于陷光的需要，在表面采用化学方法织构绒面，增加了表面积，降低反射率。但绒面的存在同时也产生了负面影响，绒面深凹的位置会与金属产生接触不良的现象。因此大家考虑对硅片背表面进行抛光，使硅片背表面更加光滑甚至达到镜面效果，背抛光后硅片的背面平整，一方面可以加强对透射光的反射，减小透光率；另一方面可以使铝浆与硅片表面接触更加充分，提高钝化效果。目前，太阳能电池板中的硅片大多是经过背面抛光的单晶硅片。

生产实践中，晶体硅的抛光主要包括化学酸腐蚀抛光和机械抛光两种手段，使用酸雾进行酸腐蚀抛光的技术难度相对较高，要求达到较高抛光效果，并且对硅片正面的PN结等结构不应造成破坏，否则会降低产品的良率；而且酸腐蚀抛光效率较低，抛光后会产生大量酸性污染物，这些污染物的处理成本较高，会对环境和人体的健康造成影响。机械抛光是一种高效的硅片研磨抛光方法，可以获得较为平坦的表面，而且抛光速率大大加快，在工业生产中的应用更为广泛，这种抛光工艺的关键在于抛光液的选择，抛光液的质量决定了研磨抛光的效果，质量达不到要求的抛光液会导致硅片表面的平整度达不到要求，或者在基面形成细微的擦划伤，从而影响硅片背面的抛光效果。

美国专利US2009/7534277公开了一种硅片精抛液的配方，包括硅溶胶、氨水、表面活性剂、羟甲基纤维素和季铵盐等组分，该抛光液也硅溶胶为研磨料，通过多种组分使用改善了抛光液的分散性、热稳定性，使得抛光精度和效果得到提升，提高了抛光后硅片的表面质量。但是在这种抛光液抛光研磨后与基材间的界面作用较好，会对基面会造成污染，提高了抛光面的清洁难度，清洁过程中会消耗大量有机溶剂，既产生资源浪费也会带来环境污染。

中国发明专利授权公告号CN101870852B公开了一种大尺寸硅片用化学机械抛光液，该技术方案在配方中添加了少量异丙醇作为助清洗剂，利用异丙醇对硅基材和水的亲和性差异改善抛光液的清除难度，从而使得抛光后的硅片更容易清洁；但是异丙醇对改善清洁性能的效果有限，尤其对于研磨抛光过程除二氧化硅研磨料之外，原有或新产生的有机污染物，几乎不具有润滑和改变界面作用的效果。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种太阳能电池背抛单晶硅片用抛光液；该型抛光液不仅具有良好的抛光效果，对基面具有保护作用，降低硅片缺陷率；而且非常容易清除，更加绿色环保。

为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案来实现的：

一种太阳能电池背抛单晶硅片用抛光液，按照质量百分比，抛光液的组分包括：主磨料10-13%，助清除剂3-5.5%，二甲基吡啶0.5-1.1%，表面活性剂0.5-1.3%，葡甘露聚糖1.8-2.2%，赖氨酸0.5-0.9%，有机溶剂8-12%，余量为去离子水。

优选地，按照质量百分比，抛光液的组分包括：主磨料11-12%，助清除剂3.8-4.7%，二甲基吡啶0.7-0.9%，表面活性剂0.7-1.1%，葡甘露聚糖1.9-2.1%，赖氨酸0.6-0.8%，有机溶剂9-10%，余量为去离子水。

进一步优选地，按照质量百分比，抛光液的组分包括：主磨料11.5%，助清除剂4.5%，二甲基吡啶0.8%，表面活性剂0.9%，葡甘露聚糖2.0%，赖氨酸0.7%，有机溶剂9.6%，余量为去离子水。

本发明中，助清除剂的制备方法包括如下步骤：

（1）在反应釜中将纳米硅溶胶和DMF溶剂按照1:3的质量比混溶，然后向混合溶液中加入12wt%的十八烷基二甲基叔胺，搅拌并加热反应釜内物料的温度至65-85℃，然后向反应釜内滴35wt%的氯乙酰氯，保温反应8-12h，反应结束后将产物过滤、洗涤、干燥，得到微粉物质；

（2）将上步骤的微粉物质、全氟壬基乙基丙烯酸酯、甲基丙烯酸糖醇酯和三氟乙烷按照1:8:15:60的质量比混合，加入到反应釜中，然后向反应釜内充入惰性气体作为保护气氛；接着向反应釜内加入3wt%的催化剂和5%的乙二胺四亚甲基膦酸；以93-100℃的温度搅拌反应6-12h，然后将反应离心得到沉淀，沉淀物用无水乙醇洗涤后干燥；

（3）将上步骤的沉淀物、甲基丙烯酸甘油醚和偶联剂560按照15:6:1的质量比混合，混合物加入到3倍体积的甲醇溶剂中，超声分散处理10-20min，得到的分散液即为所需的助清除剂。

其中，步骤（1）的原料中，纳米硅溶胶内的二氧化硅粒子的粒径为5-15nm。

步骤（1）中产物的洗涤使用丙酮或甲基氯仿溶剂。

步骤（2）中的催化剂选用铑系催化剂或钴钼催化剂。

优选地，主磨料为硅溶胶，硅溶胶中粒子的粒径为30-55nm；有机溶剂为乙醇和异丙醇的混合物，混合物中异丙醇的体积分数为18-22%。

优选地，表面活性剂为两性表面活性剂，选择烷基二甲基甜菜碱、烷基氨基丙酸盐、烷基乙氧基磺基甜菜碱中的一种或任意多种的混合物；其中，烷基为十五烷基、十六烷基、十七烷基或十八烷基。

本发明提供的抛光液的制备方法为：

按照质量百分比，将二甲基吡啶加入有机溶剂中充分溶解，然后将溶液和去离子水、加入到分散釜中搅拌至物料分散均匀；在搅拌的条件下，依次将助清除剂、葡甘露聚糖、赖氨酸和表面活性剂加入，超声分散10-15min，最后将主磨料加入到分散釜中，分散均匀，得到所需抛光液。

本发明具有如下的有益效果：

本发明提供的抛光液中，以硅溶胶作为主磨料，添加了一种特殊的助清除剂作为研磨助剂；这种助清除剂是一种经过表面改性处理的纳米二氧化硅溶颗粒，该微粒的粒径小于主磨料的粒径，表面改性处理主要是为了使得微粒成为一种超双疏性的界面材料，并改善微粒在抛光液中的分散效果和稳定性。这种助清除剂在抛光液中的作用主要包括两个方面，一方面是在主磨料对硅片基材表面完成研磨后，迅速将研磨下来的残留物从基材表面清除，避免其在基材表面形成微划伤；另一方面是改变抛光液与硅片基材之间的界面作用，使得抛光液和杂质更容易清除，从而减少清洁溶剂的使用。

本发明的抛光液组分中使用的二甲基吡啶是一种有机杂环化合物，该物质在抛光液中的作用是用于提高抛光液的稳定性，降低研磨抛光过程中杂质的产生，维持介质的润滑作用，并对抛光后的基材进行有效保护，最终提高抛光基面的质量。葡甘露聚糖和赖氨酸在本发明的抛光液中可以发挥协同作用，通过配位体作用最大程度对抛光液中的微粒和介质进行络合，从而提高主磨料和助清除剂在抛光液中的分散性和稳定性，避免微粒间的聚集对抛光液的性能产生影响；这两者配合使用，在本发明组分中的效果远好于常规的螯合剂产品。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明的具体实施方式作进一步描述，以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

实施例1

一种太阳能电池背抛单晶硅片用抛光液，按照质量百分比，抛光液的组分包括：主磨料10%，助清除剂3%，二甲基吡啶0.5%，表面活性剂0.5%，葡甘露聚糖1.8%，赖氨酸0.5%，有机溶剂8%，余量为去离子水。

本实施例中，助清除剂的制备方法包括如下步骤：

（1）在反应釜中将纳米硅溶胶和DMF溶剂按照1:3的质量比混溶，然后向混合溶液中加入12wt%的十八烷基二甲基叔胺，搅拌并加热反应釜内物料的温度至65℃，然后向反应釜内滴35wt%的氯乙酰氯，保温反应8h，反应结束后将产物过滤、洗涤、干燥，得到微粉物质；

（2）将上步骤的微粉物质、全氟壬基乙基丙烯酸酯、甲基丙烯酸糖醇酯和三氟乙烷按照1:8:15:60的质量比混合，加入到反应釜中，然后向反应釜内充入惰性气体作为保护气氛；接着向反应釜内加入3wt%的催化剂和5%的乙二胺四亚甲基膦酸；以93℃的温度搅拌反应6h，然后将反应离心得到沉淀，沉淀物用无水乙醇洗涤后干燥；

（3）将上步骤的沉淀物、甲基丙烯酸甘油醚和偶联剂560按照15:6:1的质量比混合，混合物加入到3倍体积的甲醇溶剂中，超声分散处理10min，得到的分散液即为所需的助清除剂。

其中，步骤（1）的原料中，纳米硅溶胶内的二氧化硅粒子的粒径为5-15nm。

步骤（1）中产物的洗涤使用丙酮溶剂。

步骤（2）中的催化剂选用铑系催化剂。

抛光液组分中，主磨料为硅溶胶，硅溶胶中粒子的粒径为30-55nm；有机溶剂为乙醇和异丙醇的混合物，混合物中异丙醇的体积分数为18%。

表面活性剂为两性表面活性剂，选择十六烷基二甲基甜菜碱。

本实施例提供的抛光液的制备方法为：

按照质量百分比，将二甲基吡啶加入有机溶剂中充分溶解，然后将溶液和去离子水、加入到分散釜中搅拌至物料分散均匀；在搅拌的条件下，依次将助清除剂、葡甘露聚糖、赖氨酸和表面活性剂加入，超声分散10min，最后将主磨料加入到分散釜中，分散均匀，得到所需抛光液。

实施例2

一种太阳能电池背抛单晶硅片用抛光液，按照质量百分比，抛光液的组分包括：主磨料13%，助清除剂5.5%，二甲基吡啶1.1%，表面活性剂1.3%，葡甘露聚糖2.2%，赖氨酸0.9%，有机溶剂12%，余量为去离子水。

本实施例中，助清除剂的制备方法包括如下步骤：

（1）在反应釜中将纳米硅溶胶和DMF溶剂按照1:3的质量比混溶，然后向混合溶液中加入12wt%的十八烷基二甲基叔胺，搅拌并加热反应釜内物料的温度至85℃，然后向反应釜内滴35wt%的氯乙酰氯，保温反应12h，反应结束后将产物过滤、洗涤、干燥，得到微粉物质；

（2）将上步骤的微粉物质、全氟壬基乙基丙烯酸酯、甲基丙烯酸糖醇酯和三氟乙烷按照1:8:15:60的质量比混合，加入到反应釜中，然后向反应釜内充入惰性气体作为保护气氛；接着向反应釜内加入3wt%的催化剂和5%的乙二胺四亚甲基膦酸；以100℃的温度搅拌反应12h，然后将反应离心得到沉淀，沉淀物用无水乙醇洗涤后干燥；

（3）将上步骤的沉淀物、甲基丙烯酸甘油醚和偶联剂560按照15:6:1的质量比混合，混合物加入到3倍体积的甲醇溶剂中，超声分散处理20min，得到的分散液即为所需的助清除剂。

其中，步骤（1）的原料中，纳米硅溶胶内的二氧化硅粒子的粒径为5-15nm。

步骤（1）中产物的洗涤使用甲基氯仿溶剂。

步骤（2）中的催化剂选用钴钼催化剂。

抛光液组分中，主磨料为硅溶胶，硅溶胶中粒子的粒径为30-55nm；有机溶剂为乙醇和异丙醇的混合物，混合物中异丙醇的体积分数为22%。

表面活性剂为两性表面活性剂，选择十八烷基氨基丙酸钠。

本实施例提供的抛光液的制备方法为：

按照质量百分比，将二甲基吡啶加入有机溶剂中充分溶解，然后将溶液和去离子水、加入到分散釜中搅拌至物料分散均匀；在搅拌的条件下，依次将助清除剂、葡甘露聚糖、赖氨酸和表面活性剂加入，超声分散15min，最后将主磨料加入到分散釜中，分散均匀，得到所需抛光液。

实施例3

一种太阳能电池背抛单晶硅片用抛光液，按照质量百分比，抛光液的组分包括：主磨料11.5%，助清除剂4.5%，二甲基吡啶0.8%，表面活性剂0.9%，葡甘露聚糖2.0%，赖氨酸0.7%，有机溶剂9.6%，余量为去离子水。

本实施例中，助清除剂的制备方法包括如下步骤：

（1）在反应釜中将纳米硅溶胶和DMF溶剂按照1:3的质量比混溶，然后向混合溶液中加入12wt%的十八烷基二甲基叔胺，搅拌并加热反应釜内物料的温度至75℃，然后向反应釜内滴35wt%的氯乙酰氯，保温反应10h，反应结束后将产物过滤、洗涤、干燥，得到微粉物质；

（2）将上步骤的微粉物质、全氟壬基乙基丙烯酸酯、甲基丙烯酸糖醇酯和三氟乙烷按照1:8:15:60的质量比混合，加入到反应釜中，然后向反应釜内充入惰性气体作为保护气氛；接着向反应釜内加入3wt%的催化剂和5%的乙二胺四亚甲基膦酸；以97℃的温度搅拌反应10h，然后将反应离心得到沉淀，沉淀物用无水乙醇洗涤后干燥；

（3）将上步骤的沉淀物、甲基丙烯酸甘油醚和偶联剂560按照15:6:1的质量比混合，混合物加入到3倍体积的甲醇溶剂中，超声分散处理15min，得到的分散液即为所需的助清除剂。

其中，步骤（1）的原料中，纳米硅溶胶内的二氧化硅粒子的粒径为5-15nm。

步骤（1）中产物的洗涤使用甲基氯仿溶剂。

步骤（2）中的催化剂选用铑系催化剂。

抛光液组分中，主磨料为硅溶胶，硅溶胶中粒子的粒径为30-55nm；有机溶剂为乙醇和异丙醇的混合物，混合物中异丙醇的体积分数为20%。

表面活性剂为两性表面活性剂，选择十八烷基乙氧基磺基甜菜碱。

本实施例提供的抛光液的制备方法为：

按照质量百分比，将二甲基吡啶加入有机溶剂中充分溶解，然后将溶液和去离子水、加入到分散釜中搅拌至物料分散均匀；在搅拌的条件下，依次将助清除剂、葡甘露聚糖、赖氨酸和表面活性剂加入，超声分散13min，最后将主磨料加入到分散釜中，分散均匀，得到所需抛光液。

性能测试

1、利用本实施例中的抛光液对单晶硅片进行背面抛光，并按照美国专利US2009/7534277中的配方配置抛光液，使用该抛光液作为抛光试验的对照组1，按照中国发明专利CN101870852B配置抛光液，使用该抛光液作为抛光试验的对照组2；抛光试验中，统计各组中产品的平均抛光时间，抛光良品率，划伤缺陷率比率；并统计硅片清洁时单位数量的溶剂消耗量。

其中，划伤缺陷率比率是指最终的次品中，划伤数量占总缺陷数量的比值，总缺陷数量包括明显划伤、凹坑、裂纹和气孔数量。得到如下数据：

表1：本实施例与对照组的硅片抛光试验测试结果

测试项目	对照组1	对照组2	实施例1	实施例2	实施例3
						抛光时间 min	22.5	18.7	17.1	16.7	16.9
抛光良品率 %	91.3	91.7	96.2	95.4	95.5
						缺陷率比率 %	25.1	29.3	9.1	8.5	8.4
单位数量的溶剂消耗量 L	22.3	17.5	12.5	13.4	13.1

分析上述实验结果发现，本发明提供的抛光液的的抛光时间相对较低，与对照组1相比，抛光时间平均减少24.9%，而且产品的抛光良率也相对较高，提升约4.4%，可以得出结论，本发明的抛光液的抛光作用非常好，可以明显提高硅片的抛光效果，而且通过缺陷率比率发现，本发明抛光的硅片次品中，划伤的缺陷率比率较低，低于10%，而对照组的比率大于25%，这说明本发明的产品中，因为研磨抛光产生的划伤较少，因此划伤在缺陷中的占比也就较低，这从另一方面证明了本发明的抛光液的抛光效果非常突出。

另外，分析硅片清洗过程中单位数量的溶剂消耗量发现，本发明的溶剂消耗量平均为13.0L，远低于对照组的22.3L和17.5L，因此可以看出本发明的抛光液还具有突出的易清洁特性，更加绿色环保。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种太阳能电池背抛单晶硅片用抛光液，其特征在于，按照质量百分比，所述抛光液的组分包括：主磨料10-13%，助清除剂3-5.5%，二甲基吡啶0.5-1.1%，表面活性剂0.5-1.3%，葡甘露聚糖1.8-2.2%，赖氨酸0.5-0.9%，有机溶剂8-12%，余量为去离子水。

2.根据权利要求1所述的一种太阳能电池背抛单晶硅片用抛光液，其特征在于，按照质量百分比，所述抛光液的组分包括：主磨料11-12%，助清除剂3.8-4.7%，二甲基吡啶0.7-0.9%，表面活性剂0.7-1.1%，葡甘露聚糖1.9-2.1%，赖氨酸0.6-0.8%，有机溶剂9-10%，余量为去离子水。

3.根据权利要求1所述的一种太阳能电池背抛单晶硅片用抛光液，其特征在于，按照质量百分比，所述抛光液的组分包括：主磨料11.5%，助清除剂4.5%，二甲基吡啶0.8%，表面活性剂0.9%，葡甘露聚糖2.0%，赖氨酸0.7%，有机溶剂9.6%，余量为去离子水。

4.根据权利要求1所述的一种太阳能电池背抛单晶硅片用抛光液，其特征在于：所述助清除剂的制备方法包括如下步骤：

（1）在反应釜中将纳米硅溶胶和DMF溶剂按照1:3的质量比混溶，然后向混合溶液中加入12wt%的十八烷基二甲基叔胺，搅拌并加热反应釜内物料的温度至65-85℃，然后向反应釜内滴35wt%的氯乙酰氯，保温反应8-12h，反应结束后将产物过滤、洗涤、干燥，得到微粉物质；

（2）将上步骤的微粉物质、全氟壬基乙基丙烯酸酯、甲基丙烯酸糖醇酯和三氟乙烷按照1:8:15:60的质量比混合，加入到反应釜中，然后向反应釜内充入惰性气体作为保护气氛；接着向反应釜内加入3wt%的催化剂和5%的乙二胺四亚甲基膦酸；以93-100℃的温度搅拌反应6-12h，然后将反应离心得到沉淀，沉淀物用无水乙醇洗涤后干燥；

（3）将上步骤的沉淀物、甲基丙烯酸甘油醚和偶联剂560按照15:6:1的质量比混合，混合物加入到3倍体积的甲醇溶剂中，超声分散处理10-20min，得到的分散液即为所需的助清除剂。

5.根据权利要求4所述的一种太阳能电池背抛单晶硅片用抛光液，其特征在于：所述步骤（1）使用的纳米硅溶胶中的二氧化硅粒子的粒径为5-15nm。

6.根据权利要求4所述的一种太阳能电池背抛单晶硅片用抛光液，其特征在于：所述步骤（1）中产物的洗涤使用丙酮或甲基氯仿溶剂。

7.根据权利要求4所述的一种太阳能电池背抛单晶硅片用抛光液，其特征在于：所述步骤（2）中的催化剂选用铑系催化剂或钴钼催化剂。

8.根据权利要求1所述的一种太阳能电池背抛单晶硅片用抛光液，其特征在于：所述主磨料为硅溶胶，硅溶胶中粒子的粒径为30-55nm；有机溶剂为乙醇和异丙醇的混合物，混合物中异丙醇的体积分数为18-22%。

9.根据权利要求1所述的一种太阳能电池背抛单晶硅片用抛光液，其特征在于：所述表面活性剂为两性表面活性剂，选择烷基二甲基甜菜碱、烷基氨基丙酸盐、烷基乙氧基磺基甜菜碱中的一种或任意多种的混合物；其中，烷基为十五烷基、十六烷基、十七烷基或十八烷基。

10.根据权利要求1所述的一种太阳能电池背抛单晶硅片用抛光液，其特征在于：所述抛光液的制备方法为：

按照质量百分比，将二甲基吡啶加入有机溶剂中充分溶解，然后将溶液和去离子水、加入到分散釜中搅拌至物料分散均匀；在搅拌的条件下，依次将助清除剂、葡甘露聚糖、赖氨酸和表面活性剂加入，超声分散10-15min，最后将主磨料加入到分散釜中，分散均匀，得到所需抛光液。