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太阳电池硅片切割技术

2016-02-03 16:33:54 作者:admin 来源:《中国太阳能光伏》杂志网 网友评论 0

    硅片切割是太阳能光伏电池制造工艺中的关键部分。该工艺用于处理单晶硅或者多晶硅的固体硅锭。线锯首先把硅锭切成方块,然后切成很薄的硅片。(图1)这些硅片就是制造光伏电池的基板。

    硅片切割是太阳能光伏电池制造工艺中的关键部分。该工艺用于处理单晶硅或者多晶硅的固体硅锭。线锯首先把硅锭切成方块,然后切成很薄的硅片。(图1)这些硅片就是制造光伏电池的基板。 
    

                              图 1.硅片切割的3个步骤: 切料, 切方和切片
    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。本文将对硅片切片工艺、制造业的挑战和新一代线锯技术如何降低切片成本做一个概述。 
线锯的发展史
    第一台实用的光伏切片机台诞生于1980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PWS精确硅片处理系统事业部的前身。这些机台使用切割线配以研磨浆来完成切割动作。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著的提高。
切割工艺
    现代线锯的核心是在研磨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1000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浆。 

                                   图 2.  硅块通过切割线组成的切割网.
    硅块被固定于切割台上,通常一次4块。切割台垂通过运动的切割线切割网,使硅块被切割成硅片(图2)。 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。 
减少硅料消耗
    对于以硅片为基底的光伏电池来说,晶体硅(c-Si)原料和切割成本在电池总成本中占据了最大的部分。光伏电池生产商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180-160µm 降低到了目前普遍使用的140-100µm 。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330µm降低到现在普遍的180-220µm 范围内。这个趋势还将继续,硅片厚度将变成 100μm. 减少硅片厚度带来的效益是惊人的,从330μm 到 130μm, 光伏电池制造商最多可以降低总体硅原料消耗量 多达60%。 
制造业的挑战 
    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裂。 
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。 
    生产商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切割线的拉力,增加切割线断裂的风险。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线性、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商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、线锯印记),形貌缺陷(弯曲、凹凸、厚薄不均)要最小化,对额外后端处理如抛光等的要求也要降到最低。 
新一代线锯产品 
    为了满足市场对于更低成本和更高生产力的要求,新一代线锯必须提升切割速度,使用更长的硅块从而提高切割荷载。更细的切割线和更薄的硅片都提升了生产力,同时,先进的工艺控制可以管理切割线拉力以此保持切割线的牢固性。 
    使用不止一组切割切割线是在保持速度的前提下提高机台产量的一个创新方法。应用材料公司最新的MaxEdge™ 系统(图三 3)采用了独特的两组独立控制的切割组件(图 4)。 
    MaxEdge是业界第一个专门设计使用细切割线的线锯系统 ,最低可达到80μm。相对于业界领先的应用材料公司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%。   

   
                                 图 3. 应用材料公司 MaxEdge线锯系统 
    更高生产力的线锯系统在同样的硅片产量下可以减少机台数量。因此,制造商可以大幅降低设备、操作人员和维护的成本。  
降低硅片的消耗量也就是直接降低了太阳能电力的每瓦成本。  
 


                      图 4. 双切割线可以在不牺牲切割速度的情况下,提高荷载并减少切割线直径 
    MaxEdge 系统结合了更细的切割线和更薄的硅片,提升了线锯技术,有望于2011年以前使太阳能电力的每瓦成本降低0.18美元。 (图 5).  
  

               图5.  应用材料公司优化的线锯技术直接降低了太阳能电力的成本 
    注意:该图表的前提是太阳能电池效率保持不变;硅原料成本为55美元/公斤。 
    前面已经谈到,维护方便与否对总体生产力有着很大的影响。MaxEdge 系统的机械布局在设计上考虑到了维护的方便,使切割线替换和研磨浆喷头清洗等普通维护工作能够非常容易和快速地进行。  
线锯产品市场 
    硅片供应商和希望自己控制切片工艺的整合晶体硅光伏组件生产商都需要使用线锯设备。单晶硅和多晶硅光伏技术都需要使用到它。 
大多数光伏线锯设备是硅片供应商购买的。他们一般生长硅锭或者硅块、将硅原料切合处理成硅片,最终销售给光伏电池制造商用于制造电池。业界最成功的应用材料公司HCT B5线锯系统的装机量超过500台,是光伏切片领域的标杆产品。  
结论 
    在光伏领域,线锯技术的进步缩小了硅片厚度并降低了切割过程中的材料损耗,从而减少了太阳能电力的硅材料消耗量。(每瓦使用更少克数的硅材料) 目前,原材料几乎占了晶体硅太阳能电池成本的三分之一,因此,线锯技术对于降低太阳能每瓦成本并最终促使其达到电网平价起到了至关重要的作用。最新最先进的线锯技术带来了很多创新,提高了生产力并通过更薄的硅片减少了硅材料的消耗。 
 

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