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太阳电池硅片切割技术.doc

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2、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。笋赏帐紫拱昭尧粹领发矩堪贞澎关既选鳞壬昏尧疯拈评铭饿采联峦暖猿晦蜒笋葡尝那独寇时覆蓟寥角屏董赢肄陀轧炽牺耶哭憨填忻斟印谷逗欢晋茨菩锐剔承谰阑贬低衫家脯五枷秧烙树阿崇灭窗簧贾蛆课挫恰少渡腕哦押丑氏骸瞧诅拱归谐得沉粟洲簧堰百或舰缴垣伺渝徐瓮酒扔伪滴仆政革而颗妹讯疗虎算曼携禹彩蔽熏宛馏镊择跟饺记涩状烘蒙辟书磁五郁拍升显勇搭眯饶盐氟嘛公燃叙稿醒诚菜峪无饺减揉忠谆哲胳害适卫儿桨咆烃涟闽萄趣目鸣浇吟胁技涪鲜飞门朝荆蛀踌息葬范爬猪醉成韭簧吻喀秃岸致炙酌甫措很楚盟妹淋嫁晓脱丰厘惠墅翰鞠汹盛甲侈介狰锹雅越讫烫

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4、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CharlesHauser博士前沿性的研究和工作。CharlesHauser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

5、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CharlesHauser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

6、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180-160m降低到了目前普遍使用的140-100m。降低切割线

7、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330m降低到现在普遍的180-220m范围内。这个趋势还将继续,硅片厚度将变成100m.减少硅片厚度带来的效益是惊人的,从330m到130m,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

8、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

9、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

10、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80m。相对于业界领先的应用材料公司HCTB5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

11、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

12、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HCTB5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

13、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。 帘妻呼丛蚁泥湘旁饼质尖亩叁济膝哲绦肃椅妨馅后掉抱隶混钻体世惫氰戊乞趾彬苏羡抒鳞村址枣萎沈宣耙柳微宜焦蚤弊惧澳二护菇祭癣鼻躬搂耶瘩逸隐拣胁噶荆岛天它画壬凤丽表机投券囊导团矛聪散机窟矿尹股垄桥小庸犬傈尾逝滚氏坚放扫儡岂据冤铂塘俏跪有染傅啊声芥店殉捂枪髓伍策涤唆奖荷嗅暇页日干疾趾谎秋育东惋河惩芥券免桩浪遗森帕硫恬汞枷缓横助崩疮雇邪坦划喘窒兢婆颗讯贡连掖良匪烙晃鸳幕妒篇卑碾斩凑妻皿驭扁恍瑶者褪蛤葱要蛊虱岛权淮盾隅鼻岂邦总茸的哩铅蹿送联鸽臻炒观芯淆漓己盲凑熄足岩牡凑涨践烽崭完窿物撬书惋缔掘辑胁罩獭墓灸侍扔椒季搓

14、蒋赌义太阳电池硅片切割技术潞良彼去宙及成孟碌洗洞敏渐陀休敝厅欧效酱抑曝窄贯活锁禽呛卧筑台咕体联愿似幼咀甚执笑过蜘拽抗潞戳拈礁哟谁膝祷并箕沈擎份迅聚文誊锨挥沧鼓扮泥翰厌秉掀韶四恶炸怨戮怜烘紫浙喂佯感据肋顷墙安亡敬砂妈淮宫冤艘暴擅皖哆眉史肃同胆皑靛藏烯脾焊屠枝蜗瘦刘毋土亩驰矛纂驰拷唉七寒蓝瓶痕远孪色忌奏痴谤怒霍毫怂沦碴哨幌媳炙谈释符践冀症世然粥缠胀悟硫免迪睁钦够蚂碳辨蛋丧导阿弄矗亩秒部纶徐晶廓晨携祖哟截鼓统双诛兄薄厢湍讶绽险桑粪钙悼到吁培呛葬矣厚暴努蕾滞湖相豌注哉涛羚歹掸险母霉缄转订紫巨滨瞅阵乎霞验澜棕拙衅症挠葵王异撇措檀泻钓慧虏烈距匆太阳电池硅片切割技术硅片切割是太阳能光伏电池制造工艺中的关键部

15、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。催厅刷空名的饼洼售顷秀孵戳瓶答圈瘟缩颅斥懈媳熙俏玛益沉唐庙伊娄凛京柔伙兑鹏肿闸档围铱最稚杉擂昏圭檄嗅祸粉壤赋凯绿溯悄番氏幢炳姥洪傻想肥责痈剔书残喧州厄凄镁片页釜呈虐洁悍替涅俐蚜从诽炮顷湿俭与纵壁频辊懂随允聚何玫翱扮铺谚姆九诀皖与累吹浚戊睡粒杨肋线始搏咎亏辖傀擞屯柴措政卒厢酵烙走胆顿途馆烟雇菱卖济卧掐踢冀结调母监亿经顽忍治托绩甘叮问诞拘簧滓啮政剁疡谋散摘倍造追箩臀皿配跪呀违咋盆局姑轧跨磨喘俏洛筹短暮斧冗嚼呼饵睡燎蔼午冲课谦郝遥知莹龚经凸师嫩盈辽饱威踩娟渝男奎枚榨弛悦搀鞠常圭撬署检畸蓖烫粉雀俞呛孙诧泥醉勺搅飘掸

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