太陽能電池用超白玻璃的清洗

太陽能電池用超白玻璃的清洗

目前，適用于非晶硅太陽能電池的玻璃設(shè)通常有兩種。施瓦姆反應(yīng)玻璃用于薄膜和電池板。大多數(shù)的平板玻璃基片主要為浮法玻璃。浮法玻璃的生產(chǎn)工藝上做到,使其鐵含量降低到低于普通玻璃鐵含量的10%,就變成了具有極低光吸收率,即高透過率的超白玻璃。這種超白玻璃在加工過程中退火時(shí)再經(jīng)過強(qiáng)化處理,則可成為鋼化玻璃。太陽能電池用的TCO玻璃、背板玻璃經(jīng)受風(fēng)沙、冰雹、雨雪、高低溫等自然因素影響,會(huì)降低其使用壽命。為避免電池不受這些自然因素的影響,延長其使用壽命,一般都要選用這種浮法生產(chǎn)后又經(jīng)過特殊處理的鋼化玻璃。這種玻璃根據(jù)其生產(chǎn)工藝和存貯環(huán)境,存在一些表面腐蝕條件,這就為其清洗提出了課題。1玻璃的表面作用玻璃表面在成型過程中溫度達(dá)到600～1050℃時(shí),鈉蒸氣的發(fā)生使玻璃表面鈉成分的含量比玻璃內(nèi)部的鈉含量低。在600℃時(shí),玻璃表面的鈉與空氣中O2及冷卻氣體環(huán)境中的SO2反應(yīng),生成Na2SO4,并滯留在玻璃表面上。在室溫至600℃范圍內(nèi),玻璃表面會(huì)與大氣中的水蒸氣反應(yīng),在玻璃表面內(nèi)和表面上產(chǎn)生活性很高的羥基。這些羥基會(huì)吸收大量的空氣中的水蒸氣,使玻璃表面覆蓋著一層很薄的水膜。這些水膜上層為物理吸附層,其吸附能約8～25kJ/mol,厚度約50nm;水膜下層的吸附能可以達(dá)到42～125kJ/mol,結(jié)合較為緊密,為化學(xué)吸附層。這部分水膜約1.5nm厚。物理吸附層可以很容易地去掉,但化學(xué)吸附層則需要400℃以上的溫度或者類似原子或離子轟擊的入射能量才能去除。如上所述,玻璃在成型過程中由于脫堿作用,即將鈉離子和氫氧根離子從玻璃表面濾出,玻璃表面長期存在的水膜可以很快將這些離子變成一定濃度的氫氧化鈉。隨后,在玻璃結(jié)構(gòu)中發(fā)生自加速分解,且會(huì)造成高達(dá)數(shù)微米深的破壞。由于潮濕空氣和結(jié)露,脫堿作用將延伸到玻璃內(nèi)部。如果平板玻璃處在低濕度和恒定低溫環(huán)境中(即不產(chǎn)生結(jié)露環(huán)境),那么析出的氫氧化鈉會(huì)在玻璃表面與空氣中的二氧化碳反應(yīng)而生成碳酸鈉,減緩腐蝕速度,對(duì)平板玻璃起到一定保護(hù)作用。2玻璃的表面保護(hù)降低與去除在平板玻璃表面上形成腐蝕層的方法大致可分為以下幾種:(1)在鍍膜應(yīng)用中只使用剛剛生產(chǎn)出來的新鮮平板玻璃;(2)恒溫、恒濕條件下存貯玻璃,保證玻璃表面遠(yuǎn)離潮氣和避免結(jié)露;(3)在玻璃表面使用適當(dāng)?shù)乃嵝砸种莆镔|(zhì),對(duì)平板玻璃進(jìn)行化學(xué)保護(hù),防止析出過程發(fā)生。經(jīng)測試并證實(shí),有效的化學(xué)抑制劑包括亞硫酸、醋酸、脂肪酸和乳酸等;(4)可在鍍膜前,利用刻蝕或研磨等化學(xué)或機(jī)械手段去除腐蝕層,如把玻璃浸在0.5%的氫氟酸15～60s,以去掉表面腐蝕層,有利于鍍膜。3玻璃表面雜質(zhì)污染玻璃表面的所有外來物質(zhì)都可以稱為“雜質(zhì)”。這些物質(zhì)牢固地附著在平板玻璃表面上。即使不太牢固,但同樣會(huì)對(duì)鍍膜過程或膜層本身造成損害。這些雜質(zhì)可能是在玻璃生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的,也可能是在后續(xù)加工過程中出現(xiàn)的。在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的雜質(zhì)大約有以下幾種:(1)從周圍環(huán)境中吸收的氣體或蒸汽,如氧氣、氮?dú)?、二氧化碳、二氧化硫、氯化氫、水?(2)環(huán)境空氣中的灰塵顆粒;(3)在冷卻區(qū),與二氧化硫反應(yīng),并在玻璃表面上生成的硫酸鈉;(4)防止玻璃在室內(nèi)或運(yùn)輸過程中發(fā)生劃傷或腐蝕的保護(hù)物質(zhì)的殘留顆粒,如PMMA粉粒和紙張。在后續(xù)加工期間產(chǎn)生的雜質(zhì)主要來自:(1)切割玻璃片時(shí)所使用的切割油;(2)鍍膜前在存貯區(qū)沉積的灰塵;(3)搬運(yùn)過程中造成的污染,如指紋或真空提升設(shè)備留下的印跡;(4)鍍膜前清潔過程中使用清潔劑的殘余物。除上述雜質(zhì)外,腐蝕層與雜質(zhì)(特別是在加工和搬運(yùn)期間造成的雜質(zhì))之間產(chǎn)生的化學(xué)物質(zhì)也將成為平板玻璃表面的雜質(zhì)。這種雜質(zhì)會(huì)快速滲入玻璃,一般的清洗方法很難去除干凈。在傳輸玻璃片時(shí),有時(shí)需要使用橡膠吸盤。這些橡膠吸盤在加工過程中使用的脫模劑可能會(huì)在接觸玻璃表面時(shí)與腐蝕層發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。這種化學(xué)產(chǎn)物會(huì)在玻璃表面形成一個(gè)環(huán)形痕跡,這種環(huán)形痕跡無法用常規(guī)的清潔方法去除。殘留的切割油、指紋甚至黏性標(biāo)簽的印跡也都會(huì)給膜層帶來相似的表面印痕。雜質(zhì)可能給膜層性能造成如下不良影響:(1)成為玻璃表面和功能膜之間的分離劑,從而限制了兩者之間達(dá)到足夠的附著力;(2)影響膜層的性能,如腐蝕層會(huì)改變光學(xué)性能(玻璃表面產(chǎn)生虹彩)或電學(xué)性能;(3)膜層和雜質(zhì)之間的化學(xué)反應(yīng)會(huì)影響到膜層的抗老化性。4雜質(zhì)及腐蝕層清洗如前所述,鍍膜前必須對(duì)玻璃表面進(jìn)行清潔和干燥。否則,可能造成鍍膜玻璃針孔較多,有時(shí)密集出現(xiàn),嚴(yán)重時(shí)還會(huì)出現(xiàn)線狀脫膜形狀及大面積脫膜現(xiàn)象。對(duì)于超白玻璃鍍膜,如上文所述,如果考慮膜層的附著力、抗老化能力、均勻度,需要在鍍膜前對(duì)腐蝕層進(jìn)行適當(dāng)?shù)乃嵝蕴幚砘蛘哐心ヌ幚?。?duì)于已經(jīng)鍍TCO膜的TCO玻璃,則主要考慮清洗的雜質(zhì)如下:表面殘留防腐劑(如PMMA粉粒)、切削油、潤滑油、塵埃、指紋、吸盤印、霉斑、硫酸鈉(退火氣氛內(nèi)硫與玻璃表面納結(jié)合的白色粉粒狀產(chǎn)物)、氧化鋅、碳酸鈉等。對(duì)于TCO玻璃鍍膜面,其玻璃腐蝕層在鍍膜前已經(jīng)處理(如果處理不好,將直接影響TCO膜層質(zhì)量),而非鍍膜層的玻璃質(zhì)量對(duì)后續(xù)鍍膜影響不大。對(duì)于腐蝕層的清洗,在制定清洗工藝時(shí)沒有考慮(當(dāng)時(shí)主要考慮使用酸性清洗劑,可能對(duì)TCO層形成破壞,而背板玻璃因?yàn)椴贿M(jìn)行鍍膜,也沒有光電性能要求,故也未予以考慮)?？紤]到TCO玻璃在進(jìn)行增反膜的制備中使用酸性試劑(方法:在0.5%～1%鹽酸中酸蝕30～60s,或使用醋酸溶液酸蝕)后,玻璃表面呈酸性,且運(yùn)輸過程中使用酸性防腐劑,故鍍膜前清洗工序沒有考慮使用酸性溶液。4.1物理清潔4.1.1超聲波清洗機(jī)4.1.1.液體輔助的空化效應(yīng)超聲波清洗的主要機(jī)理是超聲空化效應(yīng)。一般允許使用的振蕩頻率是25kHz和40kHz,震蕩液體的能量可以在液體內(nèi)產(chǎn)生空化效應(yīng)。液體中導(dǎo)入超聲后,存在于液體中的微氣泡(空化核)在聲場的作用下振動(dòng)。當(dāng)聲壓達(dá)到一定值時(shí),一部分氣泡在負(fù)壓期迅速長大,在正壓期又突然閉合,產(chǎn)生高達(dá)數(shù)千帕斯卡的沖擊壓力和局部高溫。氣泡崩潰時(shí)產(chǎn)生的沖擊壓力擊碎不溶性污物,使其散落到清洗液中。4.1.1.超聲波清洗被認(rèn)可的效率最高就清洗方式而言,運(yùn)用于工業(yè)清洗的清洗方式一般為手工清洗,如有機(jī)溶劑清洗,蒸汽清洗,高壓水射流清洗和超聲波清洗。超聲波清洗被公認(rèn)為當(dāng)前效率最高,效果最好的清洗方式。其清洗效率達(dá)到了98%以上,清洗潔凈度也達(dá)到了最高級(jí)別。而傳統(tǒng)的手工清洗和有機(jī)溶劑清洗的清洗效率僅為60%～70%,即使是蒸汽清洗和高壓水射流清洗的清洗效率,也低于90%。因此,在工業(yè)清洗中,超聲波清洗機(jī)以其效率高、效果好、適用于大工作量清洗的特性,無疑是清洗的最佳選擇。4.1.2速度噴射的特性二流體清洗技術(shù)是將一種高壓氣態(tài)流體與一種液態(tài)流體混合后,再通過一種超高速噴嘴使高壓氣體與清洗液形成液滴,以超過聲音在空氣中的傳播速度的速度噴出,噴在需要清洗的物體上,對(duì)清洗物體產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊、噴洗作用。此時(shí),清洗液的速度可以達(dá)到1000m/s。被清洗物體上附著的超微小顆粒,在二流體清洗液噴射時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)作用、被清洗物體表面受到?jīng)_擊時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)作用、液滴沿被清洗物體表面高速噴射三種作用的協(xié)同作用下,被去除。這種工藝對(duì)粒徑0.1μm的微粒能取得80%以上的去處效果,同時(shí)其去離子水用量比高壓噴淋洗要節(jié)約50%以上。4.1.3毛細(xì)效應(yīng):用化學(xué)改造布滾刷清洗對(duì)于粒徑大于3μm的粒子清洗效果較好。毛刷通過緊貼玻璃基板表面高速旋轉(zhuǎn),可以有效去除粘附或沉積在金屬和非金屬膜層的大顆粒粒子,去除率達(dá)到76.9%。4.2去污機(jī)理及作用化學(xué)清洗的程序是:水預(yù)洗—清洗劑清洗(弱堿性)—高純水噴淋。水預(yù)洗時(shí),首先把玻璃表面污垢潤濕,然后表面活性劑分子吸附到污垢上。由于出現(xiàn)了吸附層,加大了污垢粒子與玻璃表面的距離,也就削弱了污垢粒子與玻璃表面間的吸附力,減弱了污垢在玻璃表面的粘附強(qiáng)度。再在機(jī)械等外力作用下,污垢就比較容易從玻璃表面去除。清洗劑、高純水噴淋清洗玻璃表面的去污作用是通過綜合潤滑作用、乳化、吸附作用、懸浮、分散作用、皂化和增加溶解作用、發(fā)泡作用、靜電斥力作用和強(qiáng)化去污作用幾方面來實(shí)現(xiàn)的。之所以采用弱堿性清洗劑,主要考慮中和由于酸蝕或者防止玻璃腐蝕所加的酸性防腐劑。4.3干燥4.3.1玻璃水回收系統(tǒng)風(fēng)刀干燥是一種使用非常廣泛的干燥技術(shù),特別是在大面積玻璃領(lǐng)域。其原理為:壓縮空氣經(jīng)過狹縫噴嘴吹到玻璃表面上,產(chǎn)生出像刀刃一樣的氣流,可以將水膜分離開,并立即霧化,水分與空氣一起排出。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是,既可以快速去除水膜,還能保持玻璃處于低溫狀態(tài)。4.3.2清洗玻璃中的水熱風(fēng)干燥的原理是,熱空氣具有較高的吸收水分的能力。過濾后的熱空氣吹過潔凈的濕玻璃,使水膜氣化并將水蒸氣帶走?，F(xiàn)在一般采用風(fēng)刀、熱風(fēng)干燥結(jié)合使用,以保證玻璃表面充分干燥。使用純水、去離子水主要考慮其對(duì)極性分子和非極性分子都有很好的附著力,對(duì)于金屬離子、油性分子都有很好的沖刷和吸附作用。堿性清洗劑的使用,主要為清洗玻璃上的油性雜質(zhì),包括手印、吸盤印等,與油性雜質(zhì)和堿性分子發(fā)生皂化反應(yīng),達(dá)到去除油性雜質(zhì)的目的。熱風(fēng)和風(fēng)刀干燥操作過程中需要注意的是,必須對(duì)空氣進(jìn)行高水平過濾,以保證不對(duì)玻璃表面產(chǎn)生二次污染。上述水預(yù)洗、洗劑清洗、超聲波清洗、二流體清洗、純水噴淋等清洗過程中,需要注意的是,要對(duì)前段比較臟的清洗水與后端較為干凈的清洗水進(jìn)行適當(dāng)隔離,防止前段臟水污染后端純水。通常采用風(fēng)刀切液,保證前段臟水不污染后端純水。4.4潔凈度測試方法最后,根據(jù)太陽能電池玻璃組分、臟污情況和各種清洗方式特點(diǎn),制定鍍膜前清洗干燥工藝如下:入料—噴淋洗—堿性洗劑洗—滾刷洗1(2排)—超聲波清洗1—超聲波清洗2—風(fēng)刀切液(1排)—去離子二流體清洗—風(fēng)刀切液(1排)—去離子水滾刷洗2(2排)—風(fēng)刀切液(1排)—純水噴淋洗(3道)—風(fēng)刀風(fēng)切干燥(