陈同军，袁 炜，唐 晨，姚佳丽

（1.浙江传化功能新材料有限公司，浙江 杭州 310000；2.传化智联股份有限公司，浙江 杭州 311215）

近几年，光伏行业在国内发展迅猛，中国光伏发电装机容量已连续多年世界第一。在太阳能硅片加工环节，金刚线切割工艺的广泛应用，大幅提高了切割效率，降低了切割环节辅料成本，但也给硅片表面的清洗带来了新的挑战[1]。硅片表面的污染物来源主要有加工器械带来的污染、加工液的污染、环境污染、操作人员带来的污染以及加工过程中硅片表面发生化学反应产生的污染等[2]。污染物的吸附方式可分为物理吸附和化学吸附[3]。物理吸附的作用力主要来自于固体和被吸附分子间的范德华引力，结合力比较小，因此这类污染物容易清洗。化学吸附的作用力来自于化学键合，包括共价键合和离子键合，其吸附热比物理吸附大得多,因此要使化学吸附的杂质解吸需要更大的能量[4]。硅片表面污染物如图1 所示[5]。

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

有机杂质、指纹在硅片上是以色散力和范德华力形成的物理吸附[6]，其结合力不强，可以通过表面活性剂的润湿、乳化、分散等作用去除。金属离子污染则可以通过清洗剂的螯合作用去除。硅粉等细小颗粒污染物随着吸附时间的增长，分子间作用会逐渐由物理吸附向化学吸附转变，随着溶液分子的热运动，在碱的作用下，表面活性剂分子会迅速在硅片和颗粒表面铺展开，然后渗入硅片表面与吸附物之间，并向深处扩展，如同向界面打入了一个“楔子”，起着劈开的作用，最终将整个颗粒从硅片表面分离[7]。

金刚线切割工艺的应用，增加了硅片表面线痕量和粗糙度，使得污染物与硅片表面的结合力增大，增加了清洗难度。另外，随着全国环保举措的升级，各地的废水排放标准一再升级，客户对不含有机溶剂、低COD、无磷无氮等性能的硅片清洗剂需求越来越强烈。本文基于对表面活性剂构效关系及作用机理的研究，通过复配增效技术，制得具有优异去污能力、金属螯合能力的清洗剂。此外，该清洗剂还具有易清洗不留白斑、无磷无氮、安全环保等特点。

1 实验部分

1.1 主要原料

碳酸钠、低泡表面活性剂6400、异构醇聚氧乙烯醚1309、非离子表面活性剂EH-3、葡萄糖酸钠、去离子水：均为工业品。

1.2 清洗剂TF-014 的制备

将一定量的螯合剂葡萄糖酸钠、碳酸钠溶于适量的去离子水中，充分搅拌溶解后，缓慢加入低泡表面活性剂6400、异构醇聚氧乙烯醚1309和非离子表面活性剂EH-3，继续搅拌至透明澄清溶液，即得清洗剂TF-014。

1.3 清洗剂性能指标

外观：淡黄色液体；气味：无刺激气味；密度：1.02 g/cm3；pH：11.0～11.8；游离碱度：25～30 pt；氨氮含量：未检出。

2 结果与讨论

2.1 清洗剂组分选择分析

（1）碱的作用主要是去除硅片表面的氧化膜和沉积在其中的颗粒及其他污染物。

碳酸钠具有较好的除油效果，对皮肤的腐蚀作用小。在加入相同量碱的条件下，碳酸钠处理的硅片表面较光滑，更有利于漂洗。另外，清洗液的碱性越强，随着清洗的进行，pH 降低的幅度越大，清洗液的性质越不稳定。因此选择碱性稍弱的碳酸钠。

（2）表面活性剂能降低水溶液的表面张力，在水中形成胶束，能通过乳化分散作用将有机污染物、颗粒从硅片表面剥离下来[8]。同时，表面活性剂在固体颗粒的表面形成吸附层，增加了颗粒间的立体空间障碍，防止颗粒的重新聚集[9]。除了去污能力外，水溶性、易漂洗、环保性等性能也需要考虑。

表面活性剂6400 是一种低泡型的非离子表面活性剂，结构为环氧乙烷和环氧丙烷嵌段共聚物。具有优良的去污力、抗硬水能力、低泡易漂洗、温和、无刺激性、生物降解性好等特点。

异构醇聚氧乙烯醚1309 易溶于水，具有优良的润湿性、渗透性、乳化性、环保易降解等特点，可用于去除重度油污。

EH-3 是一种非离子表面活性剂，具有快速润湿、可生物降解、低臭的特点，专为硬表面润湿设计。

（3）鳌合剂对大部分金属离子具有不同程度的鳌合能力，加入适量、合适的鳌合剂可以去除硅片表面的金属离子污染物。除了关注鳌合剂的金属离子鳌合能力、对金属络合物稳定外，还需考虑其环保及生物降解性。

葡萄糖酸钠对钙、镁、铁盐以及重金属离子具有很强的络合能力，在全pH 范围内均有作用，且不含磷、氨氮，绿色环保。

2.2 清洗剂的去污性能

清洗剂的润湿、乳化、分散能力决定了其去污效果的好坏。对TF-014 和市场样品的表面张力及去油效率进行测试，结果见表1。从表1 可以看出，TF-014 的表面张力略低于市场样品，去油效率达到了100%，优于市场样品。清洗剂除油效率根据轻工行业标准QB/T 2117—95《通用水基金属清洗剂试验方法》测试。

表1 不同清洗剂的表面张力和去油效率Tab.1 Surface tension and deoil efficiency of different cleaning agents

2.3 清洗剂的金属离子螯合能力

对TF-014 与市场样品对钙、镁、铁等金属离子的螯合能力进行检测，结果见表2。结果显示，TF-014 与市场样品螯合金属离子的能力相当，但TF-014 所用螯合剂不含氨氮、磷，更加环保，可以减轻客户的环保压力。金属离子螯合能力根据GB/T 21884—2008 中的测试方法进行测试。

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

2.4 清洗条件研究

2.4.1 清洗温度对除油效率的影响

油污在清洗剂中的溶解速度和溶解量随着温度的升高而提高，因此升高温度有利于提高清洗剂的溶解性能，从而容易去除油污。清洗温度对除油效率的影响见图2。从图2 可知，随着清洗温度的升高，机械油污的去除效率得到提高。当清洗温度升高到55 ℃时，去除效果最好。随着温度的进一步升高，除油效率开始下降。温度过高时，非离子表面活性剂达到浊点，减弱了其清洗油污的能力。

图2 清洗温度对除油效率的影响Fig.2 The effect of cleaning temperature on oil removal efficiency

2.4.2 清洗时间对除油效率的影响

清洗时间与工厂的生产效率密切相关。实验测得不同的清洗时间对除油效率的影响，见图3。

图3 清洗时间对除油效率的影响Fig.3 The effect of cleaning time on oil removal efficiency

由图3 可知，随着清洗时间的增长，除油效率增强。当清洗时间达到240 s，除油效率达到100%。

2.4.3 清洗浓度对除油效率的影响

在工业清洗的实际应用中，清洗剂的浓度是一个重点考查的因素。根据清洗的要求和油污的类型不同，清洗剂的使用浓度也不同。当水溶液中表面活性剂的浓度达到上限时，表面活性剂的除油效率显著增大。当浓度进一步增大时，表面活性剂的除油效率增加不明显。

由图4 可知，随着清洗剂使用浓度的增大，除油效率随之提高，当清洗剂浓度达到时2%时，除油效率达到100%。

图4 清洗浓度对除油效率的影响Fig.4 The effect of cleaning concentration on oil removal efficiency

2.5 应用案例

在某客户处上机试验，实验设备为洁盟JM-12 型全自动超声波硅片清洗机，超声频率设定为35 kHz。清洗流程见图5，硅片先经一道清水洗槽预清洗，然后经两道清洗剂洗槽清洗，最后再经两道清水漂洗后烘干、检测。清洗后的硅片表面要干净，色泽一致，无花斑。TF-014 与市场样品的清洗效果见表3。

图5 硅片清洗流程

表3 清洗效果统计Tab.3 Cleaning effect statistics

从表3 可知，清洗剂TF-014 能够有效去除硅片表面各种杂质，良品率高，清洗效果优于现有市场样品。

3 结论

本文研制的硅片清洗剂TF-014 具有优异的去污和金属离子螯合能力，清洗效果好且不残留白斑、不含溶剂、不含氨氮、安全环保。在实际应用中，良品率高于市售清洗剂产品。推荐最佳使用条件为：清洗温度为55 ℃，清洗时间为240 s，清洗浓度为2.5%。