本页位置: 首页 > 产业要闻
晶硅光伏材料切割技术研讨
2015-11-30 09:56:31   来源:solarzoom   作者:张龙采编  点击:

  我国自1980年以后,中国能源总消耗量每年增长约为5%,是世界增长率的近三倍,目前能源储备和未来需求之间存在大量缺口。预测到2020年,中国石油消费量将达到4亿5000万吨到6亿1000万吨,专家预测国内最多供应量在1亿8000到2亿吨左右,缺口将达到2亿到6亿吨。由于中国石油不可能大幅度增长,因此巨大的能源缺口将严重依赖进口能源补给。(图1-1为我国近年石油情况)进口预测中国2020年以后,石油对外依赖度将>55%,进口天然气对外依存度到达25%-40%,煤的需求量将达到40-60吨。2020年以后中国能源供应缺口将进一步加大。国家的经济发展和安全离不开能源的开发,能源是各国经济的血脉,是政治稳定的基石,能源的发展已经摆在政治的高度和经济的发展战略上。


  今天我国在新能源领域已经取得喜人的成绩,光伏市场和产品制造全球第一,全球光伏市场重心已从欧美地区向亚太地区转移。我国光伏装机容量逐年上升,2015年光伏规划装机容量在17.5GW已提前完成,预测光伏装机热潮会持续5-10年,平均未来会几十瓦增长量增长,发展潜力巨大。“光伏发电是创造适应社会发展与能源需求的最佳能源供应模式,是未来能源的主力”。


  硅材料状况


  现阶段光伏产业中光伏材料,仍以硅材料为主,晶硅光伏材料是光伏电池制备的主力军,现今仍处于一个主导地位,预测晶硅电池材料的主导地位在未来十年不会动摇,晶硅电池占市场率80%以上,单多晶是电池材料的基础,是高效单晶电池的主要原料,我国近几年每年多晶硅需求量在20-30万吨左右,预计随装机容量的上升还会增长。多晶生产的核心技术一直被欧美和日本等几个少数厂家拥有,技术处于长期封锁。近几年,随着光伏应用市场的转移,和我国企业的技术引进,消化,创新,我国目前在多晶硅制造已经取得重大突破,多晶硅产量不断增长,2007年达到千亿吨产量,2009达到万亿吨产量,2014年十万吨,2012年由于国际市场冷淡,国内光伏企业遭遇“寒冬期”多晶硅企业大面积停产,预测2016年我国多晶硅需求在20-30万吨左右。


  多晶硅技术的方法


  目前多晶硅生产技术主要有三种:改良西门子法,硅烷流化床法,冶金法”其中前两者制备方法较为常用,中国企业大多采用改良西门子法,改良西门子法制备多晶硅技术最成熟,最可靠,投产速度最快,节能技术明显,成本低质量好,不对环境产生污染:冶金法具有成本高,产品质量低,衰减高等特点,烷流化床法成本相对比较低,但晶硅纯度较差。目前我国电池材料领域大多是建立在多晶硅制造基础,多晶材料占电池材料大半江山,无论利用磁控技术还是区容技术制备单晶电池材料,还是以上三种方法制取多晶硅都需要经过硅片切割。


  电池制备工艺


  单晶电池制备主要工艺:单晶硅棒-截断-开方-磨面-切片-清洗-检测分级-包装。


  多晶电池制备主要工艺:多晶硅锭-开方-切断-磨面-倒角-切片-清洗-检测-包装。


  单多晶硅片制备方法有异同点,在硅片切割工艺后续工艺基本相同。


  硅片来料检验—制绒—扩散制结-PECVD-去PSG磷硅玻璃—丝网印刷背电场电极-烧结-检测分级-包装。


  电池加工工艺异点在制绒工艺上,单晶采用异性碱制绒,多晶采用各向同性酸制绒。目前由于多晶由于转换效率和单晶只相差1-2百分点,制造成本低,是电站组件选型的潮流之选。单晶生产工艺几乎都可以用于多晶电池工艺生产,生产规模迅速扩大。由于单晶电池工艺近期生产不断改进,制造工艺成本基本和多晶制造工艺成本持平,凭借其转化率较高,又有取代多晶的市场份额的趋势,总之目前随着国内光伏应用市场的开发,高效组件市场需求是趋势。


  硅片切割技术


  目前硅片切割技术多采用多线切割技术,相比以前的内圆切割,有切割效率高,成本低,材料损耗少。目前硅片能够切出的最薄度在200um左右。实际太阳能电池的最佳性能厚度是在60-100um.,之所以维持在200um左右是因为太阳能电池的机戒性考虑,硅片厚度减少厚度减少已不再适应这些电池工艺,如腐蚀,丝网印刷等,硅片厚度的减少带来了很大的电池制备技术难点,当然目前切片技术也无法满足其技术要求。


  切割硅片是电池片加工的重要步骤,直接影响硅片表面晶向,厚度,表面粗糙度,翘曲度,硅片制造过程可能出现断线,停机,厚度不均匀,粗糙度过大等(工艺难点);以前硅片,电池工艺,组件制造,三部分几乎平分各占成本33%左右,现在由于电池工艺和组件制造方面技术的改进,三者成本分布分别为50%,25%%(成本);在硅片切割过程中材料损失越位50%,浪费严重(材料节约)。因此对硅片技术进行研究,研讨,技术改进具有重要意义。


  一、硅片切割作为硅片加工工艺过程中最关键的工艺点,其加工工艺和加工质量直接影响整个生产全局,和后续电池片工艺制备,因此硅片切割要有严格的工艺要求。


  1、硅片切割工艺所要遵守的技术原则:


  1)断面完整性好,消除拉丝和印痕迹。


  2)切割精度要高,表面平行度高,厚度误差小。


  3)提高成品率,缩小切割缝隙,减少材料损失。


  4)提高切割速度,提高生产效率,实现智能控制,自动进行切割。


  二.多线切割机理论切片数量计算方法分析:


  1、D=T+F+dw+DS


  槽距=硅片厚度+游移量+钢线直径+金刚砂直径


  理论切片数量=单晶有效长度/槽距


  三、钢线切割机理,钢线为什么能切割硅片?


  钢线本身是没有切割能力的,它的作用只是一个载体,因此钢线又称为“载线器”,它的作用在于带动有切割能力的浆料,使其对单晶硅帮进行切割,高速的钢线带动砂浆到切割区,在钢线和单晶表面充满了sic(碳化硅)颗粒和砂浆悬浮液的混合物,使砂浆中研磨颗粒有非常锐利的棱角,sic硬度远大于硅片厚度,所以硅棒与钢线接触的区域逐渐被砂浆研磨掉,由于sic和硅片切割有大量摩擦,存在大量热量和细碎的sic颗粒,容量可能导致硅片变形导致ttv(总厚度偏差)加大,后者会导致硅片表面粗糙度增大产生线痕片。因此必须保证切割液的流动性及时带走容量和细碎的sic颗粒。


  四、多线切割原理


  切割系统阐述:


  1、单晶硅棒的安装:将经过截断开方滚圆的单晶硅棒,同感玻璃用环氧树脂粘贴在不锈钢工件上,利用小车,放置在切割机相应区域。


  2、多线切割能一次切割多个单晶硅棒(多锭切割),如图2-2,3-3.我们将钢线放置在放线轮和受线轮之间,通过一定缠绕方式形成相互平衡的网状加工部分,加工过程中,钢线做高速运动,放线轮和收线轮分别完成切割工作中放线和收线工作,张紧轮控制机器张紧力。切割液喷嘴装在单晶硅棒料两侧,单晶硅棒垂直于钢线进给运动方向,切割液喷嘴喷出研磨液,高速运动的钢线带动有磨粒的研磨液注射到加工区域,实现棒料的自动化切割。


  3、钢线。直径一般为180um顺序来回缠绕在四个导线轮上,钢线张力设为20-30N左右,在闭环反馈控制下保持不变,放线轮放出新的钢线,收线轮收集已用过的钢线,钢线伸展开来有数百千米,主传电机带动导线轮旋转,导轮带动切割线高速走动,线速在10-20ms。


  4、导向轮。处于四个角的导线轮,经过开凿工艺处理。在轮体上刻有和导线直径相适宜的500-700高线槽。


  5、切割液。单晶硅棒两侧的切割液喷嘴将砂浆切屑液喷在钢丝网上,导线轮的旋转驱动钢线网,将砂浆带到单晶硅棒里,进行研磨切割,砂浆不仅是研磨剂,还能带走切割过程摩擦带走的容量,切割液的主要作用是使混有sic的砂浆保持良好的流动性,均匀稳定的分散sic颗粒,在钢线做高速运动的时候能保持均匀稳定地分散硅料表面,同时带走容量和杂质颗粒,保证切割出来的质量,砂浆的主要成分是sic和PFG聚乙二醇,sic颗粒的直径分布在5-30um,价格占有整个切割成本25%-40%。


  五、多线切割工艺的主要参数


  1、共用六项:切割液的粘度,碳化硅的粒度和颗粒形状,砂浆的流量,张力和工件的进给速度。


  2、切割液粘度。在整个切割过程中,碳化硅微粉悬浮在切割液上,切割液的粘度是碳化硅悬浮的保证,不同的切割机器对粘度的要求不同,只有符合切割机切割标准粘度,才能在切割过程中,保持碳化硅颗粒微粉均匀的悬浮分布,以及砂浆稳定通过管道进入切割区。切割液与碳化硅微粉的匹配要达到机戒要求,以便提高成品率和效率。一般ntc要求250。


  3、砂浆的流量。由砂浆泵将砂浆从料箱中打到喷嘴,再有喷嘴喷到钢线上,如果流量跟不上就会导致切割能力严重下降,导致断线,机器报警,线痕片。


  4、钢线的张力。是硅片切割过程中核心要素之一,张力控制不好,是产生线痕片,崩边,短线。


  张力过大,悬浮在钢线上的碳化硅就很难进入切割区,切割效率降低,出现线痕片,断线几率增加


  张力过小,会导致钢线弯曲度增值,钢线带沙能力下降,导致切割能力下降,出现线痕片。


  5、钢线的走线速度,切割机可以根据用户要求进行设置单向后双线走向,两种情况对走线的速度要求不同。单线走向时,钢线始终保持一个速度运行,这样相对比较容易控制,现在单线越来越少,MB,HCTZ机器中还有应用。

  
  双线走向,钢线速度开始有一个零点沿一个方向用2-3s的时间加速的规定速度,运行一段时间,再沿原方向慢慢降低的零点,在零点停顿2-3s后再次慢慢反向加速到规定速度,再沿反方向慢慢低到零点,往返周期性进行硅片切割,在双线切割过程中,切割机的切割能力在一定的范围内,随着钢线速度的提高而提高,不能低于或高于砂浆的切割能力,低于砂浆切割能力就会出现断线,线痕片。高于其切割能力,就会导致砂浆流量跟不上,出现线痕片,厚薄片。


  6、工件的进给速度。它与钢线速度,砂浆的切割能力有关,以及工件形状在不同位置有关。工件的进给速度是最没有定量的一个物理量,控制不好易造成质量和成品率下降。


  六、多线切割工艺技术难度问题


  分析钢线的走线速度,工件的进给速度,钢线初始张紧力,切割液浓度磨料粒度好晶棒等参数对切片工艺的影响:


  1)对于游离磨料线切割,钢线切割加工一般不会发生失稳现象。钢线的走线速度越快,钢线震动越大,钢线的密度很小,而加工过程中张紧力很大,以至临界点的速度很高,钢线的初始张紧力越大,钢线的振动越小。


  2)钢线的走私速度是影响钢线振动和加工出硅片表面粗糙度和切割精度的重要因素,过小的走丝速度,会使钢线的震动和加工出硅片表面粗造度增大,合适的钢线走丝速度,有利于减缓钢线的振动,使加工出的硅片表面粗糙度和TTV减少。


  3)工件的走丝速度越大,钢线的振动越大,使加工出的硅片粗燥度和TTV加大。


  4)钢线的初始张紧力越大,加工过程中钢线的振动越小,加工出硅片的表面粗燥度越小,tTTV值越小。


  5)磨粒的粒度越小,加工过程中钢线带入到加工区域的磨料越多,加工出硅片的表面粗糙度值和TTV越小。


  6)切割液的浓度越大,加工过程中钢线带入到加工区域的磨料越多,加工出硅片的表面粗糙度值和TTV越小。


  7)游离磨料线切割加工的硅棒的直径越大,使钢线与工件的接触时间增长,这就使得经钢线带入加工区域参与切削的磨料数量增多,相应地磨料对钢线的作用力会越大,使钢线的振动加剧,从而使加工硅片表面粗糙度加大。


  七、其他影响因素


  1)钢线对硅片的影响:


  随着切割过程的进行,钢线会不断的变细,从而槽据发生变化,影响加工硅片的厚度,导致成品率下降,通过工作台进给的方式,对槽据进行补给,钢线的金属也容易混进硅片的表面,从而引进复合中心,降低少子寿命,使电池性能下降,衰减增大。生产企业通过硅片清洗,减少金属杂质和复合中心,提高转化率。


  2)金刚砂对硅片切割过程的影响,砂浆是被往复运动的钢线带到切割区的,带入切割区砂浆的多少,以及切割速度的高低决定硅片的切割质量。不同的砂浆供给条件会对硅片质量造成不同的影响,通过改变砂浆喷嘴和钢线之间的角度,可以想成两种不同的砂浆供给方式,形成水平薄膜和未形成水平膜,在形成水平薄膜下携带砂浆量远大于未形成水平膜量,所以有水平薄膜情况下的切割质量要比未形成水平薄膜要好。


  砂浆的作用非常重要。在切割过程中起主要作用。砂浆是反复运动的钢线带到切割区域的,被带入的砂浆量多少决定硅片质量,在砂浆形成水平膜的条件下切片的效率和质量比较好


  形成水平薄膜的条件:在钢线间距小于1mm的条件下,因液体表面张力,比较形成水平薄膜。


  八、硅片多线切割目前存在的主要问题


  1)SIC,在硅片切割中很关键,碳化硅颗粒的形状影响到切割效率和成品率。目前国内碳化硅大部分参入回收砂,圆度高,棱角少导致切割效率下降成品率下降,这方面急需国家制定相关的行业标准。


  a)PEG聚乙二醇液体,晶硅切割液以PEG为主添加其他助剂复配而成。PEG应该具备适宜粘连指标,侵润性好,排屑能力强,有良好的高悬浮,高润滑,高分散特性,能满足整个切片过程中对切割液质量要求和技术标准。


  九、光伏材料晶硅电池硅片多线切割技术展望


  1)改善成品率和保持硅片质量情况下,减少硅片切割成本。


  2)利用技术降低切割损耗。


  3)改进切片技术提高成品率和生产效率。

来顶一下
返回首页
返回首页
免责声明:PV News 对网站上刊登之所有信息不声明或保证其内容之正确性或可靠性;您于此接受并承认信赖任何信息所生之风险应自行承担。PV News 有权但无此义务,改善或更正所刊登信息任何部分之错误或疏失。
相关新闻
    无相关信息
发表评论: 共有条评论
用户名: 密码:
验证码: 匿名发表


关于我们 服务指南 会员服务 广告服务 隐私声明 网站联盟 版权与著作权 网站地图 联系我们

欢迎太阳能光伏企业新闻投稿及太阳能等新能源网站链接  光伏群:32128093 光伏群:106807038   客服①点击这里给我发消息   客服②:点击这里给我发消息   

邮箱:info@pvnews.cn 客服电话:+86-10-57572001 传真:+86-10-57572001 版权所有:PVNews 粤京ICP备10205823号-1