硅片切割技术现状及发展趋势

硅片切割技术现状及发展趋势硅片切割是太阳能光伏电池制造工艺中的关键部分， 该工艺用于将开方后的单晶硅块或者多晶硅块利用线锯切割成很薄的硅片。 这些硅片就是制造光伏电池的基板。硅片是晶体硅光伏电池技术中最昂贵的部分， 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。一、国内外硅片切割技术现状第一台光伏用硅片切片机诞生于 80 年代，它源于 Charles Hauser 博士前沿性的研究和工作。 Charles Hauser 博士是瑞士 HCT切片系统的创办人，也就是现在的应用材料公司精确硅片处理系统事业部 (PWS)的前身。这些机台使用切割钢线配以研磨砂浆来完成切割动作。 今天， 主流的用于硅锭和硅片切割的机台的基本结构仍然源于 Charles Hauser 博士最初的机台，不过在处理载荷和切割速度上已经有了显着的提高。现代线锯的核心是在研磨砂浆配合下用于完成切割动作的超细高强度切割线。最多可达 2000 条切割线相互平行的缠绕在导线轮上形成一个水平的切割线“网”。马达驱动导线轮使整个切割线网以每秒 5 到 25 米的速度移动。切割线的速度、直线运动或来回运动都会在整个切割过程中根据硅锭的形状进行调整。在切割线运动过程中， 喷嘴会持续向切割线喷射含有悬浮碳化硅颗粒的研磨砂浆。硅块被固定于切割台上， 通常一次 2 块或 4 块。 切割工作台垂直通过运动的切割线组成的切割线网， 使硅块被切割成硅片。 切割原理看似非常简单， 但是实际操作过程中有很多挑战。 线锯必须精确平衡和控制切割线直径、 切割速度和总的切割面积，从而在硅片不破碎的情况下，取得一致的硅片厚度，并缩短切割时间。对于以硅片为基底的光伏电池来说， 晶体硅原料和切割成本在电池总成本中占据了最大的部分。 光伏硅片生产可以通过在切片过程中节约硅原料来降低成本。降低截口损失可以达到这个效果， 截口损失主要和切割线直径有关， 是切割过程本身所产生的原料损失。 切割线直径已经从原来的 180-160μ m 降低到了目前普遍使用的 140-100μ m 。 降低切割线直径还可以在同样的硅块长度下切割出更多的硅片，提升机台产量。让硅片变得更薄同样可以减少硅原料消耗。 在过去的十多年中， 光伏硅片的厚度从原来的 330μ m 降低到现在普遍的 180-220μ m 范围内。这个趋势还将继续， 硅片厚度将变成 100 μ m. 减少硅片厚度带来的效益是惊人的， 从 330μ m 到130μ m，硅片生产最多可以降低总体硅原料消耗量多达 60%。在硅片切割工艺中我们需要面对多项挑战， 主要聚焦于线锯的生产力， 也就是单位时间内生产的硅片数量。生产力取决于以下几个因素：1) 切割线直径——更细的切割线意味着更低的截口损失，也就是说同一个硅块可以生产更多的硅片 , 然而，切割线更细更容易断线，这样造成的损失将更加严重。2) 荷载——每次切割的总面积，等于硅片面积 X 每次切割的硅块数量 X 每个硅块所切割成的硅片数量 。3) 切割速度——切割台通过切割线组成的切割网的速度，这在很大程度上取决于切割线运动速度，马达功率和切割线拉力。4) 易于维护性——线锯在切割之间需要更换切割线和研磨浆，维护的速度越快，总体的生产力就越高。硅片生产厂家必须平衡这些相关的因素使生产力达到最大化。 更高的切割速度和更大的荷载将会加大切割线的拉力， 增加切割线断线的风险。 由于同一硅块上所有硅片是同时被切割的， 只要有一条切割线断裂， 所有部分切割的硅片都不得不丢弃。 然而， 使用更粗更牢固的切割线也并不可取， 这会减少每次切割所生产的硅片数量，并增加硅原料的消耗量。硅片厚度也是影响生产力的一个因素， 因为它关系到每个硅块所生产出的硅片数量。 超薄的硅片给线锯技术提出了额外的挑战， 因为其生产过程要困难得多。除了硅片的机械脆性以外， 如果线锯工艺没有精密控制， 细微的裂纹和弯曲都会对产品良率产生负面影响。 超薄硅片线锯系统必须可以对工艺性、 切割线速度和压力、以及切割冷却液进行精密控制。无论硅片的厚薄， 晶体硅光伏电池制造厂家都对硅片的质量提出了极高的要求。硅片不能有表面损伤（细微裂纹、线锯痕迹），形貌缺陷（弯曲、凹凸、厚薄不均）要最小化，对额外后端处理的要求也要降到最低。目前， 国内外硅片多线切技术相当成熟， 但由于目前生产电池片设备的局限性， 太薄的硅片会造成其在电池片生产中碎片率增加， 大多数的晶体硅太阳能电池片厂家使用的硅片厚度集中在 180-200μ m。二、国内外技术的发展趋势由于相对高的转换效率和稳定的结构，晶体硅目前仍占据光伏电池市场约80%的份额。但长期以来晶体硅技术饱受多晶硅价格成本的煎熬，硅片成本成为整个制造流程中最昂贵的部分。 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。 硅片越薄， 每一片使用的硅原料就越少， 太阳能电力的每瓦成本就越低。 而降低截口损失对于硅片切割来说也是极大的节约了硅材料。而截口损失主要和切割线直径有关， 是切割过程本身所产生的原料损失。 降低切割线直径还可以在同样的硅块长度下切割出更多的硅片，提升机台产量。就目前线切技术来说， 切割相对较薄的硅片已经不是非常困难的技术， 例如，美国应用材料公司最新研制的 MaxEdge是业界第一个专门设计使用细切割线切割薄片的线锯系统， MaxEdge已成功通过测试，它可使用 80 微米细的钢线切割薄至 130 微米的硅片，相对于应用材料公司的 HCT B5线锯系统，这些改进减少了硅料损失使产量提高多达 50%。目 前国外线锯生产厂家都在实验一种新技术，就是用金刚石切割线来切割。金刚石切割线对比传统钢线优势更加明显，用同样设备采用金刚石钢丝线切割，比采用砂浆切割所用时间大大缩短， 最大限度地发挥了设备效能； 设备应用环境得到有效改善， 提高设备使用寿命， 设备实际使用功率减小。 但是目前各个厂家只是将其技术应用在切断、 开方等设备上， 而在多线切片方面， 由于其切割后的硅片表面质量不高， 而且现在金刚石钢丝的价格比较昂贵， 所以在切片方面的工作还属于研究领域。现在光伏产品价格昂贵， 最主要的原因就是原材料和切割用辅料成本的高昂，因此，减少硅料消耗、提高切割效率，提高切片质量和机床的可靠性，降低硅片切割生产成本是新一代多线切割机追求的目标。