光伏矽片多線切片技術工藝

　　矽片切割技術在光伏電池材料中具有重要的意義，切割技術長期成為光伏行業研究的熱點。矽片切割技術主要分為內圓切割和多線切割技術。目前矽片切割技術多採用多線切割技術，相比以前的內圓切割，有切割效率高，成本低，材料損耗少的優點。因此多線鋼線矽片切割技術是未來切割技術的主流，目前矽片能夠切出的最薄度在200um左右。實際太陽能電池的最佳性能厚度是在60-100um.，之所以維持在200um左右是從太陽能電池的機械性考慮，矽片厚度減少不能適應一些電池工藝，如腐蝕，絲網印刷等，矽片厚度的減少帶來了很大的電池製備技術難點。

光伏產業始終圍繞兩個主題："效率和成本"，現階段在能進行產業化生產的電池工藝的基礎上電池轉化效率已到達效率極限，光伏電池轉化效率的提升將依賴於新材料、新工藝、新結構。很長時間以來，光伏產業難以推廣的原因在於成本較高。以前矽片、電池工藝、組件製造三部分幾乎平分成本，各佔33%左右，現在由於電池工藝和組件製造方面技術的改進，三者各占成本比例約為50%、25%、25%；在矽片切割過程中硅材料損失約為50%，浪費嚴重。

　　單晶電池製備主要工藝：從硅棒到矽片環節為單晶硅棒-截斷-開方-磨面-切片-清洗-檢測分級-包裝；從矽片到電池片環節為矽片來料檢驗-制絨-擴散制結-PECVD-去PSG磷硅玻璃-絲網印刷背電場電極-燒結-檢測分級-包裝。多晶電池製備主要工藝：從硅錠到矽片環節為多晶硅錠-開方-切斷-磨面-倒角-切片-清洗-檢測-包裝，從矽片到電池片的環節與單晶硅電池製備工藝基本相同。

　　單晶硅電池與多晶硅電池加工工藝差異點在制絨工藝上，單晶採用異性鹼制絨，多晶採用各向同性酸制絨。目前，由於多晶由於轉換效率和單晶只相差1-2百分點，但製造成本低，成為電站組件選型的主要選擇。單晶生產工藝幾乎都可以用於多晶電池工藝生產，生產規模迅速擴大。由於單晶電池工藝近期生產不斷改進，製造工藝成本基本和多晶製造工藝成本持平，憑藉其轉化率較高，又有取代多晶的市場份額的趨勢。總之，目前隨著國內光伏應用市場的開發，市場需求高效組件成為趨勢。而切割矽片是電池片加工的重要步驟，直接影響矽片表面晶向、厚度、表面粗糙度、翹曲度，矽片製造過程可能出現斷線、停機、厚度不均勻、粗糙度過大等工藝難點，多線切割技術的改進減小了矽片厚度，降低了切割過程中的材料損耗，從而減少了硅材料的消耗量，進一步降低了太陽能的每瓦造價成本，對光伏發電平價上網起到促進作用。因此對矽片技術進行研究研討、技術改進具有重要意義。本文以矽片多線切割理論為中心闡述多線切割在電池材料製造中的重要地位，淺析了切片工藝的影響參數。

　　一、矽片切割工藝所要遵守的技術原則

　　矽片切割作為矽片加工工藝過程中最關鍵的工藝點，其加工工藝和加工質量直接影響整個生產全局，以及後續電池片工藝製備。因此，矽片切割要有嚴格的工藝要求。

　　1)斷面完整性好，消除拉絲和印痕迹。

　　2)切割精度要高，表面平行度高，厚度誤差小。

　　3)提高成品率，縮小切割縫隙，減少材料損失。

　　4)提高切割速度，提高生產效率，實現智能控制，自動進行切割。

　　二、多線切割機理論切片數量計算方法分析

　　1.D=T+F+dw+DS

　　槽距=矽片厚度+游移量+鋼線直徑+金剛砂直徑

　　理論切片數量=單晶有效長度/槽距

　　三、鋼線切割機理

　　鋼線為什麼能切割矽片？

　　鋼線本身是沒有切割能力的，它的作用只是一個載體，因此鋼線又稱為"載線器"，它的作用在於帶動有切割能力的漿料，使其對單晶硅棒進行切割，高速的鋼線帶動砂漿到切割區，在鋼線和單晶表面充滿了sic(碳化硅）顆粒和砂漿懸浮液的混合物，砂漿中研磨顆粒有非常銳利的稜角，sic硬度遠大於矽片厚度，所以硅棒與鋼線接觸的區域逐漸被砂漿研磨掉，由於sic和矽片切割有大量摩擦，存在大量熱量和細碎的sic顆粒，熱量可能導致矽片變形導致ttv(總厚度偏差）加大，後者會導致矽片表面粗糙度增大產生線痕片。因此必須保證切割液的流動性及時帶走容量和細碎的sic顆粒。

　　四、多線切割原理

　　五、切割系統闡述

　　1.單晶硅棒的安裝：將經過截斷開方滾圓的單晶硅棒，用環氧樹脂粘貼在不鏽鋼工件上，利用小車，放置在切割機相應區域。

　　2.多線切割能一次切割多個單晶硅棒（多錠切割），如圖1，我們將鋼線放置在放線輪和收線輪之間，通過一定纏繞方式形成相互平衡的網狀加工部分，加工過程中，鋼線做高速運動，放線輪和收線輪分別完成切割工作，張緊輪控制機器張緊力。切割液噴嘴裝在單晶硅棒料兩側，單晶硅棒垂直於鋼線進給運動方向，切割液噴嘴噴出研磨液，高速運動的鋼線帶動有磨粒的研磨液注射到加工區域，實現棒料的自動化切割。

　　3.鋼線。直徑一般為180um順序來回纏繞在四個導線輪上，鋼線張力設為20-30N左右，在閉環反饋控制下保持不變，放線輪放出新的鋼線，收線輪收集已用過的鋼線，鋼線伸展開來有數百千米，主傳電機帶動導線輪旋轉，導輪帶動切割線高速走動，線速在10-20ms.

　　4.導向輪。處於四個角的導線輪，經過開鑿工藝處理。在輪體上刻有和導線直徑相適宜的500-700高線槽。

　　5.切割液。單晶硅棒兩側的切割液噴嘴將砂漿切屑液噴在鋼絲網上，導線輪的旋轉驅動鋼線網，將砂漿帶到單晶硅棒里，進行研磨切割，砂漿不僅是研磨劑，還能帶走切割過程摩擦帶走的容量，切割液的主要作用是使混有sic的砂漿保持良好的流動性，均勻穩定的分散sic顆粒，在鋼線做高速運動的時候能保持均勻穩定地分散硅料表面，同時帶走容量和雜質顆粒，保證切割出來的質量，砂漿的主要成分是sic和PFG聚乙二醇，sic顆粒的直徑分布在5-30um,價格佔有整個切割成本25%-40%。

　　五、多線切割工藝的主要參數

　　共有六項：切割液的粘度，碳化硅的粒度和顆粒形狀，砂漿的流量，張力和工件的進給速度。

　　切割液粘度。在整個切割過程中，碳化硅微粉懸浮在切割液上，切割液的粘度是碳化硅懸浮的保證，不同的切割機器對粘度的要求不同，只有符合切割機切割標準粘度，才能在切割過程中，保持碳化硅顆粒微粉均勻的懸浮分布，以及砂漿穩定通過管道進入切割區。切割液與碳化硅微粉的匹配要達到機戒要求，以便提高成品率和效率。一般ntc要求250。

　　砂漿的流量。由砂漿泵將砂漿從料箱中打到噴嘴，再有噴嘴噴到鋼線上，如果流量跟不上就會導致切割能力嚴重下降，導致斷線，機器報警，線痕片。

　　鋼線的張力。是矽片切割過程中核心要素之一，張力控制不好，是產生線痕片，崩邊，短線。張力過大，懸浮在鋼線上的碳化硅就很難進入切割區，切割效率降低，出現線痕片，斷線幾率增加。張力過小，會導致鋼線彎曲度增值，鋼線帶沙能力下降，導致切割能力下降，出現線痕片。鋼線的走線速度，切割機可以根據用戶要求進行設置單向後雙線走向，兩種情況對走線的速度要求不同。單線走向時，鋼線始終保持一個速度運行，這樣相對比較容易控制，現在單線越來越少，MB,HCTZ機器中還有應用。

　　雙線走向，鋼線速度開始有一個零點沿一個方向用2-3s的時間加速的規定速度，運行一段時間，再沿原方向慢慢降低的零點，在零點停頓2-3s後再次慢慢反向加速到規定速度，再沿反方向慢慢低到零點，往返周期性進行矽片切割，在雙線切割過程中，切割機的切割能力在一定的範圍內，隨著鋼線速度的提高而提高，不能低於或高於砂漿的切割能力，低於砂漿切割能力就會出現斷線，線痕片。高於其切割能力，就會導致砂漿流量跟不上，出現線痕片，厚薄片。

　　工件的進給速度。它與鋼線速度，砂漿的切割能力有關，以及工件形狀在不同位置有關。工件的進給速度是最沒有定量的一個物理量，控制不好易造成質量和成品率下降。

　　六、多線切割工藝技術難度問題

　　分析鋼線的走線速度，工件的進給速度，鋼線初始張緊力，切割液濃度磨料粒度好晶棒等參數對切片工藝的影響。

　　1）對於遊離磨料線切割，鋼線切割加工一般不會發生失穩現象。鋼線的走線速度越快，鋼線震動越大，鋼線的密度很小，而加工過程中張緊力很大，以至臨界點的速度很高，鋼線的初始張緊力越大，鋼線的振動越小。

　　2）鋼線的走線速度是影響鋼線振動和加工出矽片表面粗糙度和切割精度的重要因素，過小的走線速度，會使鋼線的震動和加工出矽片表面粗造度增大，合適的鋼線走線速度，有利於減緩鋼線的振動，使加工出的矽片表面粗糙度和TTV減少。

　　3）工件的走線速度越大，鋼線的振動越大，使加工出的矽片粗燥度和TTV加大。

　　4）鋼線的初始張緊力越大，加工過程中鋼線的振動越小，加工出矽片的表面粗燥度越小，tTTV值越小。

　　5）磨粒的粒度越小，加工過程中鋼線帶入到加工區域的磨料越多，加工出矽片的表面粗糙度值和TTV越小。

　　6）切割液的濃度越大，加工過程中鋼線帶入到加工區域的磨料越多，加工出矽片的表面粗糙度值和TTV越小。

　　7）遊離磨料線切割加工的硅棒的直徑越大，使鋼線與工件的接觸時間增長，這就使得經鋼線帶入加工區域參與切削的磨料數量增多，相應地磨料對鋼線的作用力會越大，使鋼線的振動加劇，從而使加工矽片表面粗糙度加大。

　　七、其他影響因素

　　1）鋼線對矽片的影響：

　　隨著切割過程的進行，鋼線會不斷的變細，從而槽據發生變化，影響加工矽片的厚度，導致成品率下降，通過工作台進給的方式，對槽據進行補給，鋼線的金屬也容易混進矽片的表面，從而引進複合中心，降低少子壽命，使電池性能下降，衰減增大。生產企業通過矽片清洗，減少金屬雜質和複合中心，提高轉化率。

　　2）金剛砂對矽片切割過程的影響，砂漿是被往複運動的鋼線帶到切割區的，帶入切割區砂漿的多少，以及切割速度的高低決定矽片的切割質量。不同的砂漿供給條件會對矽片質量造成不同的影響，通過改變砂漿噴嘴和鋼線之間的角度，可以想成兩種不同的砂漿供給方式，形成水平薄膜和未形成水平膜，在形成水平薄膜下攜帶砂漿量遠大於未形成水平膜量，所以有水平薄膜情況下的切割質量要比未形成水平薄膜要好。

　　砂漿的作用非常重要。在切割過程中起主要作用。砂漿是反覆運動的鋼線帶到切割區域的，被帶入的砂漿量多少決定矽片質量，在砂漿形成水平膜的條件下切片的效率和質量比較好

　　形成水平薄膜的條件：在鋼線間距小於1mm的條件下，因液體表面張力，比較形成水平薄膜。

　　八、矽片多線切割過程情況處理

　　多線切割過程中常見問題有斷線、崩邊、線痕、TTV等。

　　1矽片厚薄不均

　　原因分析：

　　1）機器方面：切割機張力不夠，機器主輪振動，導輪不合格，機器調試問題，線徑不均勻，槽據不均勻，導線質量等。

　　2）工藝參數：工藝參數不合理，漿料配置問題，流量控制問題，出現二次切割。

　　3）員工方面：導線輪條錯位，砂漿質量未達標等。

　　改進方法：

　　1）如果同一矽片厚度呈現一大一小不均勻分布，應該調整切割工藝參數，進給，線速，流量應均勻變化

　　2）Tv偏大或偏小。根據厚度，計算出最佳成本及最佳槽距，鋼線，碳化硅，砂漿密度，

　　3）矽片進刀處的進線端偏偏厚或偏薄，應修改進刀時的流量。

　　2崩邊

　　原因：1）方棒溫度低，膠在凝固時的高溫反應熱破壞了硅層結構；2）矽片預沖洗水溫過低，脫膠水溫過低，膠層未完全軟化時工作人員就用手把矽片推倒。3）由於採用的是小槽距大線徑，不可避免地會在出刀口時造成矽片向阻力小的一方傾斜，方棒兩頭受到的阻力最小。

　　改進方法：

　　1）脫膠，經過優化粘膠方式，在設備配置的前提下,控制脫膠工藝參數，溫水45-50侵泡時間在25-30min，做矽片隔條，降低矽片倒狀時傾斜角度。

　　2）嚴格控制方棒超生池水溫一般在40度左右，超聲到粘膠的時間間隔在二小時，粘膠房室溫控制在25度。

　　3）檢查機械，對開方機器進行一次進給和轉速較正，開方後的方棒滾圓，定期進行設備維護

　　4）採用線開方和磨面機，進行矽片腐蝕，跟換粘接力強但硬度適中的粘接劑。

　　九、矽片多線切割目前存在的主要問題

　　1)SIC，在矽片切割中很關鍵，碳化硅顆粒的形狀影響到切割效率和成品率。目前國內碳化硅大部分摻入回收砂，回收砂圓度高、稜角少導致切割效率下降成品率下降，這方面急需國家制定相關的行業標準。

　　2)PEG聚乙二醇液體，晶硅切割液以PEG為主添加其他助劑復配而成PEG應該具備適宜粘連指標，浸潤性好，排屑能力強，有良好的高懸浮、高潤滑、高分散特性，能滿足整個切片過程中對切割液質量要求和技術標準。

　　十、光伏材料晶硅電池矽片多線切割技術展望

　　1）改善成品率和保持矽片質量情況下，減少矽片切割成本。

　　2）利用技術降低切割損耗。

　　3）改進切片技術提高成品率和生產效率。

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