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(yáng)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(yáng)能光伏電池制造中的應(yīng)用簡(jiǎn)介

為了使太陽(yáng)能電池能夠最終在取決于每瓦成本的能源供應(yīng)市場(chǎng)上具有競(jìng)爭(zhēng)力，光伏價(jià)值鏈中每個(gè)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?jiǎng)恿?。硅片切割工藝始于由單晶硅或多晶硅材料制成的?shí)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(guò)多線切割技術(shù)（MWS）實(shí)現(xiàn)的。本文簡(jiǎn)要介紹線鋸切割工藝及生產(chǎn)過(guò)程中面臨的各種挑戰(zhàn)，并且展示了能同時(shí)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(kāi)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(qiáng)大的驅(qū)動(dòng)力使整張網(wǎng)在相對(duì)高速（每秒10米到20米）下運(yùn)行。漿料，一種由耐磨粒子加冷卻液制成的懸浮液，通過(guò)噴嘴輸送到運(yùn)動(dòng)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(tái)上并且與切割頭逆向垂直運(yùn)動(dòng)。這一動(dòng)作將硅錠推過(guò)切割線網(wǎng)，同時(shí)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(yùn)動(dòng)基本上是一種快速的三體磨損過(guò)程，其特點(diǎn)在于使用了一種基于滾動(dòng)及壓入的切割機(jī)制線鋸切割的原理淺顯易懂，但是真正的挑戰(zhàn)來(lái)自于實(shí)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(shí)保證一流的成品率。產(chǎn)量即指定時(shí)間內(nèi)所生產(chǎn)出的硅片數(shù)量，主要取決于以下幾個(gè)因素：1)

切割臺(tái)速度(或進(jìn)料速度)指固定待切割硅錠的切割臺(tái)通過(guò)運(yùn)動(dòng)中的切割線網(wǎng)的速度。硅錠通過(guò)切割線網(wǎng)開(kāi)始接受切割時(shí)，切割線和硅原料之間的壓力會(huì)逐漸增加。兩者之間的研磨漿料通過(guò)一種被稱為“滾動(dòng)與壓入”的研磨機(jī)制開(kāi)始切開(kāi)硅原料。在壓力增加與原料開(kāi)始移除之間的延遲會(huì)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(tái)下移速度匹配，切割就達(dá)到了運(yùn)動(dòng)平衡。在指定的切割臺(tái)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(yùn)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(gè)硅塊能生產(chǎn)的硅片數(shù)量。每個(gè)硅塊可生產(chǎn)的硅片數(shù)量由硅塊/硅錠的長(zhǎng)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(shí)切割更多的硅料可在規(guī)定時(shí)間內(nèi)生產(chǎn)出更多的硅片，從而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)率的最大化。AppliedHCTB5(圖4)是市場(chǎng)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(shí)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(chǎng)對(duì)更低成本的要求，線鋸平臺(tái)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(guò)實(shí)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(jí)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(shí)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(kāi)方方面首先應(yīng)用結(jié)構(gòu)線技術(shù)。實(shí)踐證明，在AppliedHCT開(kāi)方機(jī)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(kāi)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(shí)現(xiàn)更快的切割速度。應(yīng)用

目前原材料費(fèi)用占晶體硅太陽(yáng)能電池總體成本相當(dāng)大的一部分，因此線鋸技術(shù)對(duì)于降低每瓦成本并讓太陽(yáng)能光伏價(jià)格與傳統(tǒng)電力能源持平來(lái)說(shuō)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(yáng)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(shí)現(xiàn)切割更薄硅片的能力。歷史趨勢(shì)顯示，每5年硅片厚度就會(huì)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(shì)已經(jīng)不可能再持續(xù)這一速度：隨著厚度的降低，硅片會(huì)變得越來(lái)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(dòng)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(guò)程也被稱為“分檢”）以及在太陽(yáng)能電池生產(chǎn)線加工時(shí)都是如此。同時(shí)，也需要提高切割工藝來(lái)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(guò)減少鋸縫損失來(lái)實(shí)現(xiàn)原料節(jié)約方面，而且還在通過(guò)切割線的單向運(yùn)動(dòng)來(lái)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(kāi)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(xiě)為TTV。)與粗糙的磨料相比，顆粒更小的磨料在切割時(shí)還能讓表面損傷更淺，因此在下游太陽(yáng)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(jī)械強(qiáng)度，減少處理中發(fā)生的損耗。最后，多年來(lái)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(gè)世紀(jì)九十年代中期的180μm降低到今天常見(jiàn)的120μm（有些生產(chǎn)中使用鋼線直徑規(guī)格為110μ