太陽能用晶體硅片切割技術(shù)

古元甲

【摘 ?要】鑄造級太陽能多晶硅由于其原料純度和制備過程中容易引入碳及氮化物雜質(zhì)，引起硅片切割過程中出現(xiàn)跳線和斷線現(xiàn)象，從而造成破片率偏高。通過金相顯微鏡和場發(fā)射掃描電鏡測試硅片碎裂處表觀形貌，結(jié)合X-射線能量色散譜對其進行微區(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，近年來其發(fā)展呈現(xiàn)井噴趨勢。2016年，全球光伏發(fā)電新增裝機量達75GW，新增裝機量增速為41%;累計裝機量超過303GW，累計裝機量增速為33%。2016年光伏發(fā)電首次成為裝機最大的新增能源[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，硅料損耗較為嚴重，砂漿鋼線切割技術(shù)會浪費約40%的硅料，目前主流的金剛線切割技術(shù)也會浪費近30%的硅料[2-3]。因此，從光伏發(fā)電技術(shù)發(fā)展的需求來看，硅片的切割技術(shù)雖已取得巨大的進步，但仍有較大的改善空間，是整個行業(yè)一直關(guān)注的重點。

一、硅片技術(shù)概述

1.多晶硅片主要是通過多晶硅材料定向凝固（DSS）生長多晶硅錠后切割加工制成，單晶硅片則是通過多晶硅材料直拉（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：多晶硅材料準備-鑄錠多晶生長-破錠切方-平磨和倒角表面處理-多線切割-清洗-檢驗分選等環(huán)節(jié)。單晶硅片制備的主要工藝包括：多晶硅材料準備-直拉單晶生長-晶棒截斷-切方-滾磨表面處理-多線切割-清洗-檢驗分選等環(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技術(shù)、直拉單晶生長技術(shù)、多線切割技術(shù)等。

2.半導體工業(yè)的發(fā)展要求芯片厚度越來越薄，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，但是硅片切割過程中破片率高的問題卻一直困擾著光伏行業(yè)硅片制造業(yè)。行業(yè)內(nèi)已對硅片的切割過程進行了一些相關(guān)研究，但鮮見通過破片斷面探討硅片破碎的形成原因。文中就這一問題，運用金相顯微鏡、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、太陽能用晶體硅片切割技術(shù)

1.砂漿鋼線切割技術(shù)砂漿鋼線切割技術(shù)的原理是通過一根高速運動的鋼線帶動附著在鋼線上的切割刃料（碳化硅）對切削材料進行摩擦，在鋼線來回摩擦切削材料的同時，在鋼線上附著的切割液（PEG）同碳化硅一起運動，通過三者間的相互摩擦作用達到切割效果。在切割過程中，鋼線通過多個導線輪的引導，在主輥上排列成線網(wǎng)狀，待加工硅棒固定在工作臺上，通過工作臺的下降實現(xiàn)硅棒的進給切割。其中，碳化硅顆粒在硅棒和鋼線之間發(fā)揮“滾動-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。砂漿鋼線切割技術(shù)與內(nèi)圓切割工藝相比具有很多優(yōu)點：比如，經(jīng)濟效益高，一次可切約2000片的硅片;硅片各項檢驗參數(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，單位長度出片數(shù)增加。日本NTC小松公司生產(chǎn)的MWM442DM切片機使用的鋼線的線徑可達120μm，鋼線運動線速度可達1000m/min，切割進給速度為0.1～2.5mm/min，單次切割硅棒長度達600mm，單次出片數(shù)可達1800片，耗線量約為10m/片。

2.直拉單晶硅棒生長技術(shù)單晶硅棒的生長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)硅在凝固時硅原子以金剛石晶格排列成許多晶核，晶核長成晶面取向相同的晶粒，晶粒平行結(jié)合起來便結(jié)晶成單晶硅。單晶硅棒生長技術(shù)按晶體生長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用占85%以上，太陽能電池用單晶硅一般采用直拉法制備。直拉法生長單晶硅棒的工藝過程主要包括：加料-熔化-縮頸生長-放肩生長-等徑生長-尾部生長-冷卻等。

三、晶體硅鑄錠制備技術(shù)發(fā)展趨勢的分析

1.線切設(shè)備由于多線切割機制造技術(shù)難度大，核心技術(shù)長期被瑞士、日本等國家的極少數(shù)公司所壟斷，目前國內(nèi)使用的多線切割機幾乎全部依賴進口。隨著我國光伏產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，我國相關(guān)企業(yè)正在積極開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的多線切割技術(shù)及裝備。

2.在光伏行業(yè)向平價上網(wǎng)邁進的過程中，提高組件輸出功率、降低生產(chǎn)成本是光伏企業(yè)必須應對的一大課題。持續(xù)推進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%，可以預測的是，更大面積硅片的使用（如161.75mm×161.75mm）能更好地滿足市場發(fā)展的需求，其使用也會很快到來。161.75mm×161.75mm的硅片相比于156.0mm×156.0mm的硅片，其邊長只增加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，可以通過更替的方式解決。因此，可以認為大尺寸硅片對當前的切片技術(shù)是無縫對接的。硅片薄片化是光伏技術(shù)進步的重要體現(xiàn)，是減少硅材料消耗和降低晶體硅太陽電池成本的重要措施。30多年來，太陽電池用硅片的厚度從450～500降低到目前的170～200，對推動光伏行業(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。順應硅片的發(fā)展潮流，未來的切割技術(shù)也將朝著硅片更薄、線耗更小、效率更高等趨勢發(fā)展，這就要求硅片切割技術(shù)不斷進步。從目前情況來看，金剛線切割技術(shù)將是未來相當長一段時間內(nèi)主流的硅片切割技術(shù)，以下對未來硅片切割技術(shù)的發(fā)展趨勢進行分析。

結(jié)束語

晶體硅太陽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良品率的問題。在切割方面，硅片薄型化將使切片時碎片率提高;在配套輔料方面，薄的硅片也意味著需要直徑更細的光伏切割線、粒度更小的切割刃料;在下游電池片制造過程中，較薄的硅片易導致破損率提高。因此硅片的薄型化應該有一個在用硅量和生產(chǎn)效率之間達到平衡的最優(yōu)值。相對于光伏產(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，來料加工的特點較為明顯。規(guī)模化發(fā)展有利于降低生產(chǎn)成本、增強產(chǎn)品競爭力以提高產(chǎn)品議價能力，因此規(guī)模化發(fā)展將是未來硅片行業(yè)發(fā)展的趨勢之一。目前我國主要的硅片生產(chǎn)商均大規(guī)模擴產(chǎn)，如保利協(xié)鑫公司的硅片、賽維LDK硅片，位列全球前兩位。此外我國在硅錠/硅片領(lǐng)域，設(shè)備和原輔料國產(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)出國內(nèi)第一臺240kg級多晶硅鑄錠爐，2011改造升級至500kg級多晶硅鑄錠爐;在硅片切割方面，我國中電48所、中電45所等相繼推出了多線切割機;在切割輔料方面恒星科技和福星集團相繼投入研發(fā)切割線，并且開始產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，使得國內(nèi)擺脫該領(lǐng)域依賴進口的局面。

（作者單位：天津市環(huán)歐半導體材料技術(shù)有限公司）