先進(jìn)線鋸切割技術(shù)課件

課題：先進(jìn)線鋸切割技術(shù)

-先進(jìn)線鋸切割技術(shù)在太陽能光伏電池制造中的應(yīng)用-思彬先進(jìn)線鋸切割技術(shù)

在太陽能光伏電池制造中的應(yīng)用簡介

為了使太陽能電池能夠最終在取決于每瓦成本的能源供應(yīng)市場上具有競爭力，光伏價值鏈中每個生產(chǎn)步驟的總體擁有成本（圖1）都至關(guān)重要。晶體硅片的生產(chǎn)也不例外：處理一片硅片的總體擁有成本是降低其總體成本的主要動力。硅片切割工藝始于由單晶硅或多晶硅材料制成的實心硅錠。線鋸將硅錠裁成方塊（圖2），然后再切割成很薄的硅片。這些晶體硅片就被用作制造光伏電池的襯底。如今的線鋸切割大多數(shù)是通過多線切割技術(shù)（MWS）實現(xiàn)的。本文簡要介紹線鋸切割工藝及生產(chǎn)過程中面臨的各種挑戰(zhàn)，并且展示了能同時降低硅錠切方與硅片切割成本的下一代線鋸切割技術(shù)。線鋸切割工藝現(xiàn)代線鋸的核心部分是纏繞在導(dǎo)輪上、直徑為110μm-140μm的單根切割鋼線。這種導(dǎo)輪開槽精細(xì)且槽距均勻，形成平行切割線的水平網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)或網(wǎng)（圖3）。強大的驅(qū)動力使整張網(wǎng)在相對高速（每秒10米到20米）下運行。漿料，一種由耐磨粒子加冷卻液制成的懸浮液，通過噴嘴輸送到運動中的切割線上。切割線將漿料傳送到切割區(qū)。將要切割的硅錠被固定在切割臺上并且與切割頭逆向垂直運動。這一動作將硅錠推過切割線網(wǎng)，同時產(chǎn)生大量的硅塊或硅片。在使用漿料的多線鋸切割系統(tǒng)中，切割運動基本上是一種快速的三體磨損過程，其特點在于使用了一種基于滾動及壓入的切割機制線鋸切割的原理淺顯易懂，但是真正的挑戰(zhàn)來自于實際操作。線鋸必須準(zhǔn)確地平衡切割線的直徑、切割速度以及切割總面積，這樣才能既不造成切割線斷裂又能保證精確的形狀控制和高成品率。主要工藝變量硅片切割工藝的目標(biāo)在于提高產(chǎn)量同時保證一流的成品率。產(chǎn)量即指定時間內(nèi)所生產(chǎn)出的硅片數(shù)量，主要取決于以下幾個因素：1)

切割臺速度(或進(jìn)料速度)指固定待切割硅錠的切割臺通過運動中的切割線網(wǎng)的速度。硅錠通過切割線網(wǎng)開始接受切割時，切割線和硅原料之間的壓力會逐漸增加。兩者之間的研磨漿料通過一種被稱為“滾動與壓入”的研磨機制開始切開硅原料。在壓力增加與原料開始移除之間的延遲會導(dǎo)致切割線網(wǎng)出現(xiàn)彎曲。一旦原料移除速度和切割臺下移速度匹配，切割就達(dá)到了運動平衡。在指定的切割臺速度和載荷下，這種平衡很大程度上取決于切割線速度、漿料切割能力以及切割線張力。

2)

載荷——指每次運行的總切割面積，即硅片面積乘以硅塊數(shù)量然后再乘以每個硅塊能生產(chǎn)的硅片數(shù)量。每個硅塊可生產(chǎn)的硅片數(shù)量由硅塊/硅錠的長度除以導(dǎo)輪的槽距所得數(shù)值決定。在理想狀態(tài)下，生產(chǎn)商希望載荷尺寸能夠最大化。同時切割更多的硅料可在規(guī)定時間內(nèi)生產(chǎn)出更多的硅片，從而實現(xiàn)生產(chǎn)率的最大化。AppliedHCTB5(圖4)是市場上唯一具備處理較大載荷（2米）能力的系統(tǒng)，為生產(chǎn)商提供了優(yōu)化載荷的靈活性，在不犧牲成品率的前提下實現(xiàn)生產(chǎn)率的最大化。先進(jìn)的線鋸切割技術(shù)為了滿足市場對更低成本的要求，線鋸平臺架構(gòu)必須不僅可以進(jìn)行載荷優(yōu)化，而且還要能夠適應(yīng)線鋸技術(shù)的進(jìn)步。B5系統(tǒng)是經(jīng)過實踐證明可進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)的硅片切割系統(tǒng)，不僅能夠使用細(xì)鋼線，而且還可以方便地升級到其它先進(jìn)的技術(shù)，例如結(jié)構(gòu)線和金剛線。結(jié)構(gòu)線（圖8）是一種革命性的切割線技術(shù)。由于這種技術(shù)能夠更有效地傳輸漿料并實現(xiàn)更快的切割

速度，因而能大幅提高生產(chǎn)率。AppliedHCT在硅片切割和開方方面首先應(yīng)用結(jié)構(gòu)線技術(shù)。實踐證明，在AppliedHCT開方機上，具有專利保護(hù)的粗結(jié)構(gòu)線可將生產(chǎn)率提高70%、將擁有成本降低25%（圖9）。AppliedHCT正致力于開發(fā)結(jié)構(gòu)線在硅片切割中的應(yīng)用。結(jié)構(gòu)線面臨的最大挑戰(zhàn)在于由于降低切割線斷裂載荷而導(dǎo)致的切割線網(wǎng)管理難度。然而，我們預(yù)期最終可以在不影響硅片質(zhì)量的前提下實現(xiàn)更快的切割速度。應(yīng)用

目前原材料費用占晶體硅太陽能電池總體成本相當(dāng)大的一部分，因此線鋸技術(shù)對于降低每瓦成本并讓太陽能光伏價格與傳統(tǒng)電力能源持平來說至關(guān)重要。線鋸切割技術(shù)取得的三大進(jìn)步已經(jīng)大幅減少了產(chǎn)生太陽能電力所要消耗的硅材料（每瓦所需的硅材料克數(shù)）。首先，實現(xiàn)切割更薄硅片的能力。歷史趨勢顯示，每5年硅片厚度就會減少50微米。從1995年至今，硅片厚度已經(jīng)從330μm降低到了180μm。而這一趨勢已經(jīng)不可能再持續(xù)這一速度：隨著厚度的降低，硅片會變得越來越脆弱，這需要能夠在最小壓力下處理超薄硅片的先進(jìn)自動化技術(shù)。這在將硅片從切割后的堆疊結(jié)構(gòu)中取出（這一過程也被稱為“分檢”）以及在太陽能電池生產(chǎn)線加工時都是如此。同時，也需要提高切割工藝來減少硅片的厚度變化并使其與厚度成比例。其次，使用顆粒更小的磨料。磨料顆粒大小不僅在通過減少鋸縫損失來實現(xiàn)原料節(jié)約方面，而且還在通過切割線的單向運動來降低“楔”效應(yīng)方面起到了重要的作用：硅片在切割線切入硅塊的一端比切割線切離開硅塊的一端要厚。(這種厚度變化含糊地被稱為“總厚度變化”，縮寫為TTV。)與粗糙的磨料相比，顆粒更小的磨料在切割時還能讓表面損傷更淺，因此在下游太陽能電池生產(chǎn)線上所需的鋸痕消除工作也就更少。減少損傷還能提高硅片的機械強度，減少處理中發(fā)生的損耗。最后，多年來鋼線直徑的減少有助于節(jié)省硅料。鋼線直徑已經(jīng)從上個世紀(jì)九十年代中期的180μm降低到今天常見的120μm（有些生產(chǎn)中使用鋼線直徑規(guī)格為110μ