太阳能电池及硅切片技术

太阳能电池简介太阳能电池根据所用材料的不同，太阳能电池可分为：硅太阳能电池、多元化合物薄膜太阳能电池、聚合物多层修饰电极型太阳能电池、 纳米晶太阳能电池、 有机太阳能电池，其中硅太阳能电池是目前发展最成熟的，在应用中居主导地位。（ 1）硅太阳能电池硅太阳能电池分为单晶硅太阳能电池、多晶硅薄膜太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池三种。单晶硅太阳能电池转化效率最高，技术也最为成熟，理想转化效率略大于 30%， 在实验室最高的转化效率为 23%， 最近实验室转化效率可以达到 24.7%， 常规地面用商业用直拉单晶硅太阳能电池转化效率可达到 18% ， 期望不久可以达到 20%以上。在大规模应用和工业生产中仍占据主导地位，但由于单晶硅成本价格高，弱光特性较差，生产工艺复杂，大幅度降低其成本很困难，为了降低成本，发展多晶硅薄膜和非晶硅薄膜做为单晶硅太阳能电池的替代产品。多晶硅薄膜太阳能电池与单晶硅比较 ,成本低廉，而效率高于非晶硅薄膜电池，其实验室最高转换效率为 18%, 工业规模生产的转换效率为 16%。因此，多晶硅薄膜电池不久将会在太阳能电地市场上占据主导地位。非晶硅薄膜太阳能电池成本低重量轻，转换效率较高，便于大规模生产，有极大的潜力。但受制于其材料引发的光电效率衰退效应，稳定性不高，直接影响了它的实际应用。（ 2）多元化合物薄膜太阳能电池多元化合物薄膜太阳能电池材料为无机盐，其主要包括砷化镓 III-V 族化合物、 硫化镉、 硫化镉及铜锢硒薄膜电池等。硫化镉、碲化镉多晶薄膜电池的效率较非晶硅薄膜太阳能电池效率高，成本较单晶硅电池低，并且也易于大规模生产，但由于镉有剧毒，会对环境造成严重的污染，因此，并不是晶体硅太阳能电池最理想的替代产品。砷化镓（ GaAs） III-V 化合物电池的转换效率可达 28%，GaAs 化合物材料具有十分理想的光学带隙以及较高的吸收效率 ,抗辐照能力强 ,对热不敏感，适合于制造高效单结电池。但是 GaAs 材料的价格不菲 ,因而在很大程度上限制了用 GaAs电池的普及。铜铟硒薄膜电池（简称 CIS）适合光电转换，不存在光致衰退问题，转换效率和多晶硅一样。具有价格低廉、性能良好和工艺简单等优点，将成为今后发展太阳能电池的一个重要方向。唯一的问题是材料的来源，由于铟和硒都是比较稀有的元素，因此，这类电池的发展又必然受到限制。（ 3）聚合物多层修饰电极型太阳能电池以有机聚合物代替无机材料是刚刚开始的一个太阳能电池制造的研究方向。由于有机材料柔性好，制作容易，材料来源广泛，成本底等优势，从而对大规模利用太阳能，提供廉价电能具有重要意义。但以有机材料制备太阳能电池的研究仅仅刚开始，不论是使用寿命，还是电池效率都不能和无机材料特别是硅电池相比。能否发展成为具有实用意义的产品，还有待于进一步研究探索。（ 4）纳米晶太阳能电池纳米 TiO2晶体化学能太阳能电池是新近发展的， 优点在于它廉价的成本和简单的工艺及稳定的性能。 其光电效率稳定在 10％以上， 制作成本仅为硅太阳电池的 1/5 ～ 1/10 ．寿命能达到 20年以上。此类电池的研究和开发刚刚起步，不久的将来会逐步走上市场。（ 5）有机太阳能电池有机太阳能电池，就是由有机材料构成核心部分的太阳能电池。大家对有机太阳能电池不熟悉， 这是情理中的事。 如今量产的太阳能电池里， 95％以上是硅基的，而剩下的不到 5％也是由其它无机材料制成的。多晶硅太阳电池的出现主要是为了降低成本， 其优点是能直接制备出适于规模化生产的大尺寸方型硅锭， 设备比较简单， 制造过程简单、省电、节约硅材料，对材质要求也较低。晶界及杂质影响可通过电他工艺改善。晶体硅太阳能电池所用硅材料主要是铸造多晶硅片与单晶硅片， 但原料都来自于多晶硅材料。 由于目前各个国家都在大力发展新能源和光伏产业，预计来 5— 10年内光伏产业的发展将呈现爆发式增长。 目前晶体硅材料 ( 包括多晶硅和单晶硅 ) 是最主要的光伏材料， 并且随着多晶硅价格的回落， 晶体硅发电在光伏发电中占有率保持在 75％以上， 而且在今后相当长的一段时期也依然是太阳能电池的主流材料。预计在 2015年太阳能多晶硅需求将接近 3O万吨， 而到 2020年需求将突破 5O万吨。同期半导体多晶硅需求的增加也将保持 5％一 6％的增长。预测， 2015年全球多晶硅的需求量达到 31． 6万吨， 2020 年多晶硅的需求量将达到 53． 8万吨。硅片切割技术作为一种取之不尽的清洁能源， 太阳能的开发利用正引起人类从未有过的极大关注。 商业化太阳能电池采用的是无毒性的晶硅， 单晶和多晶硅电池的特点是光电转换效率高、 寿命长且稳定性好。 硅片是晶体硅光伏电池加工成本中最昂贵的部分 , 随着半导体制造技术的不断成熟完善， 硅片制造成本不断降低。 硅片切割是太阳能光伏电池制造工艺中的关键部分 , 太阳能电池所用硅片的切割成本一直居高不下， 要占到太阳能电池总制造成本的 30％以上。 所以降低这部分的制造成本对于提高太阳能对传统能源的竞争力至关重要。目前硅片的切割方法都是围绕如何减小切缝损失、 降低切割厚度、 增大切片尺寸及提高切割效率方面进行的。 为了进一步提高硅片的实际利用率 , 将硅片表面进行绒面化处理 , 产生一些绒面高度深 , 表面均匀的倒金字塔结构 , 增加入射光的反射次数 , 减少光的反射损失 , 从而提高光的实际利用率。太阳能硅片切割方法主要有 : 外圆切割、 内圆切割和磨料线切割和电火花切割 (WEDM )等。 80年代中期之前的硅片切割都是由外圆切割机床或者内圆切割机床完成的 , 这两种切割方法在那时的研究已经达到了鼎盛时期 , 相当多功能的全自动切片机相继商品化 , 生产主要分布在瑞士、德国、日本、美国等地方。90年中后期以来 , 多线切割技术逐渐走向成熟 , 其切缝损失小、切割直径大、 成片效率高、 适合大批量硅片加工 , 在国内外太阳能电池的硅片切割上 , 得到广泛的应用。 WEDM 经过近半个世纪的发展 , 技术已经十分成熟 , 达到了相当高的工艺水平 , 是一种非接触、 宏观加工力很小的加工方式 , 理论上采用 WEDM 切割 , 硅片的厚度可以达到很薄。2.1 外圆切割外圆切割机主要有卧式和立式两种 , 由主轴系统、 冷却循环系统、 工业机控制系统、 电磁旋转工作台等组成 , 其中主轴系统是它的核心系统 , 刀片安装在主轴上面 , 一般是在钢质圆片基体外圆部分电镀一层金刚石磨粒 , 可以单刀切割或者多刀切割。切割时由于刀片太薄容易产生变形和侧向摆动 , 导致硅片的切缝较大 (1 mm左右 ) , 晶面不平整 , 且切割硅片的直径也不能太大 (100 mm以内 ) 。2.2 内圆切割内圆切割机与外圆切割机相类似 , 内圆切割时 , 圆盘型刀片外圆张紧 , 利用内圆刃口边切割硅锭。 但它的刀片是在基体的内圆部分电镀一层金刚石磨粒 , 外圆部分有多个小孔 , 安装固定在刀盘上面 , 通过刀盘上的专用机构张紧 , 刃部钢性得到增强 , 切割阻力及外力引起的对刃口的振动减小。 其刀片稳定性好、晶向可以调节、机床技术成熟、切割的硅片表面粗糙度小、切缝可以缩小到 300 μm 左右 , 切割硅料直径主要为 Φ 150 mm-200 mm，最大达到了 Φ 300 mm。但由于刀片高速旋转会产生轴向振动，刀片与硅片的摩擦力增加， 切割时会产生较大的残留切痕和微裂纹，损伤层深度可达 20 μm -30 μm ， 切割结束时易出现硅片崩片甚至飞边的现象。2.3 多线切割多线切割也称为线锯， 通常是利用一根表面镀铜的不锈钢丝( 直径 80 μm -200 μm ，长 600 km-800 km) 来回绕过导轮 ( 有两轴、三轴或四轴几种 ) ，保持 20 N-30 N的张紧力，形成一排成百的锯带 , 在导轮带动下以 5 m/s-15 m/s的速度高速运转。将含有粒度约 10 μm — 25 μm 的 SiC或者金刚石磨料的粘性浆料带入硅棒切割区域，磨料滚压嵌入硅晶体形成三体磨料磨损从而产生切割作用。它加工出硅片弯曲度 (BOW)、翘曲度 (WARP)、总厚度公差 (TTV) 、切缝损失都很小，而且平行度 (TAPER)好、表面损伤层浅。其研究主要集中在切割机理、振动切割、切割方向、线张力 , 温度控制等方面，并已取得很好的成果，已成为直径大于 200 mm硅片切割的主流技术， 切缝损失在 150 μm -210 μm , 硅片厚度可以达到 100 μm -200 μm ，损伤层深度 15 μm — 25 μm ，但在表面会留下明显的线痕， 同时金刚砂切磨硅材料时产生的切削力会对脆性硅材料表面产生冲击，同样使得大尺寸超薄硅片切割非常困难。2.4 电火花线切割WEDM 加工原理是利用工件和电极丝之间的脉冲性电火花放电， 产生瞬间高温使工件材料局部熔化或气化， 从而达到加工目的 太 阳 能 级 硅 晶 体 由 于 其 掺 杂 浓 度 比 较 高 ， 电 阻 率 在 0.1Ω · cm-10Ω · cm 范围内，利用 WEDM 切割是比较适合的。比利时鲁文大学采用低速走丝电火花线切割 (WEDM-LS)技术进行了硅片切割研究， 日本岡山大学采用 WEDM进行了单晶硅棒切割加工研究， 并研制了电火花线切割原理样机。 目前试验条件下电火花线切割硅片的厚度可以控制在 120μm 以内， 这是传统加工方法根本无法达到的切割厚度， 弯曲程度与多线切割结果相近； 切割的钼丝直径为 Φ 250 μm ，切缝造成的硅材料损失大约为 280 μm , 与多线切割法得到的数值相当。2.5 几种切割方式的比较内圆切割相对于外圆切割由于其刀片韧性较大， 可以用来切割较大直径的硅片； 与多线切割比较优点是不需要供给砂浆、 废弃物处理小、切片成本是它的 1/3-1/4 、每片可以进行晶向调整和厚度调整、小批量多规格加工，缺点是表面损伤较大、切缝损失大、生产效率低，是中小尺寸硅片小批量生产的主要方法。从目前 WEDM的切割试验来看， 所获得的硅片总厚度变化和弯曲程度与多线切割结果几乎一样， 而且其成本比多线切割低许多， 将成为一种非常有竞争力的加工手段。 下表是这几种切割方法的比较。几种切割方式的比较外圆切割 内圆切割 多线切割 电火花线切割切割原理 刀片外圆沉积 金刚石 刀片内周沉积 金刚石 磨料研磨 火花放电表面织构 剥落、破碎 剥落、破碎 切痕 放电凹坑损伤层厚度（ μm ） - 35-40 25-35 15-25 切割效率（ cm2/h ） - 20-40 110-220 45-65 硅片最小厚度 - 300 200 250 适合硅片尺寸（ mm） 100以下 150-200 300 200 硅片翘曲 严重 严重 轻微 轻微切割损耗（ μm ） 1000 300-500 1500-210 280-290 2.6 游离磨料多线切割技术游离磨料多线切割技术始于上世纪九十年代初期， 与传统的金刚石内圆切割技术相比，具有切割效率高、切口材料损耗小、表面损伤程度浅、 切割噪声小等优点， 能满足晶圆大直径化发展的加工需求。适用于晶硅电池片切割的刃料， 与普通的磨料有很多的不同，质量有了更高的要求。 1. 是对切割用微粉的粒度， 要求分布非常集中； 2. 线切割微粉的锋线度； 3. 线切割微粉的化学成份； 4. 线切割微粉的堆积密度； 5. 线切割的表面清洁度等一系列指标都有严格的要求。碳化硅微粉是最主要的用于多线切割机上的磨料之一， 适合于切割比较硬而且脆的材料。 线切割是由导轮带动细钢线高速运转， 由钢线带动砂浆形成研磨的切割方式。 在线切割机的切割过程中， 悬浮液夹裹着碳化硅磨料喷落在细钢线组成的线网上， 依赖于细钢线的高速运动， 把研磨液运送到切割区， 对紧压在线网上的工件进行研磨式切割， 随着碳化硅磨料对工件的一次次刻划，逐渐把多余的材料带走， 其余部分磨料起挤压、 划擦、 抛光作用，这是一种类似于研磨的滚动刻划的方法， 这种机制也被称为： 自由研磨切割加工。因为线切割是研磨式切割， 因此砂浆的切割能力是决定切割质量的主要因素。 砂浆是由悬浮液和碳化硅按一定比例配制而成的混合物， 衡量砂浆切割能力的条件主要包括砂浆的配比、 砂浆的粘度、碳化硅的粒度分布、碳化硅的粒型等因素。粘度是悬浮液的流变特性的衡量指标， 它显示了悬浮液的流动特性， 在线切割过程中碳化硅磨料是以与悬浮液组成的砂浆混合物的形态传输， 悬浮液是碳化硅跟随钢线进入切割区的主要载体。所以，悬浮液的流变性在切割中的作用十分重要。根据以上分析， 对悬浮液的粘度性质主要有以下 4 个方面要求： ①保证碳化硅磨料分散均匀、 不结团。 ②保证储料箱中的砂浆中的碳化硅磨料不沉淀。 ③要确保砂浆能在机床砂浆管路中的稳定流动。 ④确保砂浆能粘附在钢线上顺利进入切割区。