太陽(yáng)能用晶體硅片切割技術(shù)

古元甲

【摘 ?要】鑄造級(jí)太陽(yáng)能多晶硅由于其原料純度和制備過(guò)程中容易引入碳及氮化物雜質(zhì)，引起硅片切割過(guò)程中出現(xiàn)跳線(xiàn)和斷線(xiàn)現(xiàn)象，從而造成破片率偏高。通過(guò)金相顯微鏡和場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡測(cè)試硅片碎裂處表觀(guān)形貌，結(jié)合X-射線(xiàn)能量色散譜對(duì)其進(jìn)行微區(qū)元素分析，以期從原材料選擇到工藝優(yōu)化等方面降低硅片的破片率。

【關(guān)鍵詞】太陽(yáng)能;晶體硅片;切割技術(shù)

前言

光伏發(fā)電是一種清潔高效的新能源，近年來(lái)其發(fā)展呈現(xiàn)井噴趨勢(shì)。2016年，全球光伏發(fā)電新增裝機(jī)量達(dá)75GW，新增裝機(jī)量增速為41%;累計(jì)裝機(jī)量超過(guò)303GW，累計(jì)裝機(jī)量增速為33%。2016年光伏發(fā)電首次成為裝機(jī)最大的新增能源[1-2]。在光伏組件成本構(gòu)成中，硅片仍是光伏行業(yè)價(jià)值鏈中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，占組件成本的20%。而在切片環(huán)節(jié)中，硅料損耗較為嚴(yán)重，砂漿鋼線(xiàn)切割技術(shù)會(huì)浪費(fèi)約40%的硅料，目前主流的金剛線(xiàn)切割技術(shù)也會(huì)浪費(fèi)近30%的硅料[2-3]。因此，從光伏發(fā)電技術(shù)發(fā)展的需求來(lái)看，硅片的切割技術(shù)雖已取得巨大的進(jìn)步，但仍有較大的改善空間，是整個(gè)行業(yè)一直關(guān)注的重點(diǎn)。

一、硅片技術(shù)概述

1.多晶硅片主要是通過(guò)多晶硅材料定向凝固（DSS）生長(zhǎng)多晶硅錠后切割加工制成，單晶硅片則是通過(guò)多晶硅材料直拉（CZ）單晶硅棒后切割加工制成。多晶硅片制備的主要工藝包括：多晶硅材料準(zhǔn)備-鑄錠多晶生長(zhǎng)-破錠切方-平磨和倒角表面處理-多線(xiàn)切割-清洗-檢驗(yàn)分選等環(huán)節(jié)。單晶硅片制備的主要工藝包括：多晶硅材料準(zhǔn)備-直拉單晶生長(zhǎng)-晶棒截?cái)?切方-滾磨表面處理-多線(xiàn)切割-清洗-檢驗(yàn)分選等環(huán)節(jié)。多晶硅片和單晶硅片制備工藝的主要區(qū)別在于前端的晶體生長(zhǎng)技術(shù)和裝備不同，后端的切割加工處理工藝基本相同，其關(guān)鍵技術(shù)主要包括鑄錠多晶硅生長(zhǎng)技術(shù)、直拉單晶生長(zhǎng)技術(shù)、多線(xiàn)切割技術(shù)等。

2.半導(dǎo)體工業(yè)的發(fā)展要求芯片厚度越來(lái)越薄，高性能電子產(chǎn)品的立體封裝所需的超薄芯片厚度甚至小于50，但是硅片切割過(guò)程中破片率高的問(wèn)題卻一直困擾著光伏行業(yè)硅片制造業(yè)。行業(yè)內(nèi)已對(duì)硅片的切割過(guò)程進(jìn)行了一些相關(guān)研究，但鮮見(jiàn)通過(guò)破片斷面探討硅片破碎的形成原因。文中就這一問(wèn)題，運(yùn)用金相顯微鏡、掃描電鏡及能譜儀探討了硅片破碎的成因，以期從原材料選擇到工藝優(yōu)化等方面降低硅片的破片率。

二、太陽(yáng)能用晶體硅片切割技術(shù)

1.砂漿鋼線(xiàn)切割技術(shù)砂漿鋼線(xiàn)切割技術(shù)的原理是通過(guò)一根高速運(yùn)動(dòng)的鋼線(xiàn)帶動(dòng)附著在鋼線(xiàn)上的切割刃料（碳化硅）對(duì)切削材料進(jìn)行摩擦，在鋼線(xiàn)來(lái)回摩擦切削材料的同時(shí)，在鋼線(xiàn)上附著的切割液（PEG）同碳化硅一起運(yùn)動(dòng)，通過(guò)三者間的相互摩擦作用達(dá)到切割效果。在切割過(guò)程中，鋼線(xiàn)通過(guò)多個(gè)導(dǎo)線(xiàn)輪的引導(dǎo)，在主輥上排列成線(xiàn)網(wǎng)狀，待加工硅棒固定在工作臺(tái)上，通過(guò)工作臺(tái)的下降實(shí)現(xiàn)硅棒的進(jìn)給切割。其中，碳化硅顆粒在硅棒和鋼線(xiàn)之間發(fā)揮“滾動(dòng)-壓裂”的作用，是切割的核心物質(zhì);切割液具有切削、粘滯、冷卻3大功能，可有效提高硅片質(zhì)量和生產(chǎn)效率。砂漿鋼線(xiàn)切割技術(shù)與內(nèi)圓切割工藝相比具有很多優(yōu)點(diǎn)：比如，經(jīng)濟(jì)效益高，一次可切約2000片的硅片;硅片各項(xiàng)檢驗(yàn)參數(shù)有很大提升，表面翹曲度小，總厚度公差離散性小，表面損傷層和表面粗糙度小等;切割損耗較低，單位長(zhǎng)度出片數(shù)增加。日本NTC小松公司生產(chǎn)的MWM442DM切片機(jī)使用的鋼線(xiàn)的線(xiàn)徑可達(dá)120μm，鋼線(xiàn)運(yùn)動(dòng)線(xiàn)速度可達(dá)1000m/min，切割進(jìn)給速度為0.1～2.5mm/min，單次切割硅棒長(zhǎng)度達(dá)600mm，單次出片數(shù)可達(dá)1800片，耗線(xiàn)量約為10m/片。

2.直拉單晶硅棒生長(zhǎng)技術(shù)單晶硅棒的生長(zhǎng)是采用高純多晶硅為原料，在直拉單晶爐內(nèi)將多晶硅熔化，熔融的單質(zhì)硅在凝固時(shí)硅原子以金剛石晶格排列成許多晶核，晶核長(zhǎng)成晶面取向相同的晶粒，晶粒平行結(jié)合起來(lái)便結(jié)晶成單晶硅。單晶硅棒生長(zhǎng)技術(shù)按晶體生長(zhǎng)方法的不同分為直拉（CZ）和區(qū)熔（FZ）兩種，獲得的單晶硅分別稱(chēng)為直拉單晶硅和區(qū)熔單晶硅。由于CZ法比FZ法更容易生產(chǎn)出大尺寸的單晶硅棒以及成本和性能的原因，目前直拉單晶硅材料的應(yīng)用占85%以上，太陽(yáng)能電池用單晶硅一般采用直拉法制備。直拉法生長(zhǎng)單晶硅棒的工藝過(guò)程主要包括：加料-熔化-縮頸生長(zhǎng)-放肩生長(zhǎng)-等徑生長(zhǎng)-尾部生長(zhǎng)-冷卻等。

三、晶體硅鑄錠制備技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)的分析

1.線(xiàn)切設(shè)備由于多線(xiàn)切割機(jī)制造技術(shù)難度大，核心技術(shù)長(zhǎng)期被瑞士、日本等國(guó)家的極少數(shù)公司所壟斷，目前國(guó)內(nèi)使用的多線(xiàn)切割機(jī)幾乎全部依賴(lài)進(jìn)口。隨著我國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，我國(guó)相關(guān)企業(yè)正在積極開(kāi)發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的多線(xiàn)切割技術(shù)及裝備。

2.在光伏行業(yè)向平價(jià)上網(wǎng)邁進(jìn)的過(guò)程中，提高組件輸出功率、降低生產(chǎn)成本是光伏企業(yè)必須應(yīng)對(duì)的一大課題。持續(xù)推進(jìn)晶體硅片向大尺寸化和薄片化發(fā)展是有效措施之一。大尺寸硅片產(chǎn)品增加了硅片面積，提升了光伏組件的發(fā)電功率。2016年年底，光伏行業(yè)使用的硅片從156.0mm×156.0mm全部切換到156.75mm×156.75mm，單片功率提高近1%，可以預(yù)測(cè)的是，更大面積硅片的使用（如161.75mm×161.75mm）能更好地滿(mǎn)足市場(chǎng)發(fā)展的需求，其使用也會(huì)很快到來(lái)。161.75mm×161.75mm的硅片相比于156.0mm×156.0mm的硅片，其邊長(zhǎng)只增加5.75mm，目前的切割設(shè)備行程和切割技術(shù)仍可以滿(mǎn)足要求，需要改變的只是硅片清洗工序的花籃和硅片的包裝，這些物品屬于低值物品或易耗品，可以通過(guò)更替的方式解決。因此，可以認(rèn)為大尺寸硅片對(duì)當(dāng)前的切片技術(shù)是無(wú)縫對(duì)接的。硅片薄片化是光伏技術(shù)進(jìn)步的重要體現(xiàn)，是減少硅材料消耗和降低晶體硅太陽(yáng)電池成本的重要措施。30多年來(lái)，太陽(yáng)電池用硅片的厚度從450～500降低到目前的170～200，對(duì)推動(dòng)光伏行業(yè)發(fā)展起到了重要的作用。目前行業(yè)內(nèi)單、多晶硅片平均厚度約在180，未來(lái)將向160甚至是140發(fā)展，硅片薄片化還存在較大的發(fā)展空間。順應(yīng)硅片的發(fā)展潮流，未來(lái)的切割技術(shù)也將朝著硅片更薄、線(xiàn)耗更小、效率更高等趨勢(shì)發(fā)展，這就要求硅片切割技術(shù)不斷進(jìn)步。從目前情況來(lái)看，金剛線(xiàn)切割技術(shù)將是未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)主流的硅片切割技術(shù)，以下對(duì)未來(lái)硅片切割技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行分析。

結(jié)束語(yǔ)

晶體硅太陽(yáng)能電池用硅片的制備是光伏產(chǎn)業(yè)鏈中最重要的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，硅片技術(shù)的發(fā)展方向是硅片的薄型化和大型化。理論上硅片可減至100μm，但較薄的硅片也將帶來(lái)良品率的問(wèn)題。在切割方面，硅片薄型化將使切片時(shí)碎片率提高;在配套輔料方面，薄的硅片也意味著需要直徑更細(xì)的光伏切割線(xiàn)、粒度更小的切割刃料;在下游電池片制造過(guò)程中，較薄的硅片易導(dǎo)致破損率提高。因此硅片的薄型化應(yīng)該有一個(gè)在用硅量和生產(chǎn)效率之間達(dá)到平衡的最優(yōu)值。相對(duì)于光伏產(chǎn)業(yè)鏈的其他生產(chǎn)環(huán)節(jié)，硅錠/硅片所需的技術(shù)含量并不高，來(lái)料加工的特點(diǎn)較為明顯。規(guī)?；l(fā)展有利于降低生產(chǎn)成本、增強(qiáng)產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力以提高產(chǎn)品議價(jià)能力，因此規(guī)模化發(fā)展將是未來(lái)硅片行業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)之一。目前我國(guó)主要的硅片生產(chǎn)商均大規(guī)模擴(kuò)產(chǎn)，如保利協(xié)鑫公司的硅片、賽維LDK硅片，位列全球前兩位。此外我國(guó)在硅錠/硅片領(lǐng)域，設(shè)備和原輔料國(guó)產(chǎn)化水平不斷提高。在多晶硅鑄錠爐方面，浙江精工科技2008年研發(fā)出國(guó)內(nèi)第一臺(tái)240kg級(jí)多晶硅鑄錠爐，2011改造升級(jí)至500kg級(jí)多晶硅鑄錠爐;在硅片切割方面，我國(guó)中電48所、中電45所等相繼推出了多線(xiàn)切割機(jī);在切割輔料方面恒星科技和福星集團(tuán)相繼投入研發(fā)切割線(xiàn)，并且開(kāi)始產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，使得國(guó)內(nèi)擺脫該領(lǐng)域依賴(lài)進(jìn)口的局面。

（作者單位：天津市環(huán)歐半導(dǎo)體材料技術(shù)有限公司）