金剛線切割工藝對硅片表觀質(zhì)量影響研究

引言

根據(jù)最新全球市場分析，晶體硅電池由于工藝控制穩(wěn)定，轉(zhuǎn)換效率優(yōu)勢明顯，始終占據(jù)著80％以上的份額。當(dāng)前，光伏產(chǎn)品并網(wǎng)發(fā)電的趨勢越來越明顯，導(dǎo)致市場競爭日趨激烈，下游對上游的產(chǎn)品品質(zhì)要求愈發(fā)嚴(yán)格。產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)都通過工藝提升及現(xiàn)場控制等策略提高產(chǎn)品品質(zhì)，以滿足市場要求。晶體硅電池的原材料是硅片，現(xiàn)今主要的工藝方法是采用金剛線切割方式。從2016年下半年開始，金剛線硅片切割技術(shù)在硅片生產(chǎn)環(huán)節(jié)全面推廣，而金剛線硅片的表觀質(zhì)量95％以上都與金剛線切割工藝息息相關(guān)。通過對照硅片表觀質(zhì)量不良，分析改進(jìn)切割工藝參數(shù)，是當(dāng)前硅片生產(chǎn)技術(shù)提升的主要方向，預(yù)計到2020年金剛線切片將全面代替?zhèn)鹘y(tǒng)的砂漿切割工藝，完成革命性的進(jìn)步。

1 金剛線硅片切割工藝特點及原理

1.1 金剛線切割技術(shù)特點

相對于傳統(tǒng)的砂漿切割，金剛線切割技術(shù)具有切割速度快、硅料損耗低、環(huán)保處理難度低等優(yōu)勢。金剛線切割技術(shù)的推廣使切片環(huán)節(jié)的產(chǎn)能增加到原來的2.5倍，據(jù)不完全統(tǒng)計，全國目前硅片生產(chǎn)產(chǎn)能達(dá)到50ＧＷ。同時，金剛線切割技術(shù)將硅材料的利用率提升了25％，有效降低了生產(chǎn)環(huán)節(jié)的主材及輔材的消耗。參照單晶硅片的生產(chǎn)成本核算，硅片成本從2016年上半年的6元／片下降到現(xiàn)今3.15元/片，降幅達(dá)到50％。

1.2 金剛線切割工藝原理

金鋼線切割是將金剛石采用粘接和電鍍的方式固定在直拉鋼線上進(jìn)行高速往返切削，根據(jù)金剛石固定方式的差異分為樹脂金鋼線和電鍍金鋼線兩種。其結(jié)構(gòu)對比見圖１。

金剛線切割方式是一種固粒式切割，而傳統(tǒng)的砂漿切割則是一種游離式切割方式。其原理對照如圖２所示。

2 實驗方法

2.1 實驗思路

通過調(diào)整金剛線切割中的工藝參數(shù)線速、張力、切割液流量，對照硅片表觀質(zhì)量不良的比例數(shù)據(jù)，確定金剛線切割參數(shù)變化對硅片表觀質(zhì)量的影響。

2.2 實驗條件

設(shè)備：國產(chǎn)高測金剛線專用切片機(jī)GC－630；

材料：電鍍金剛線，Φ65μm，破斷張力18Ｎ，卷螺距0.6ｍｍ；

切割液，雙組份，添加比例1:350，ｍ（切割液）：ｍ（消泡劑）＝100:1。

切割負(fù)載，單刀裝載長度為650mm～660mm，滿載切割。

其他：導(dǎo)輪槽距0.265mm，單刀工藝用線量為3.5km，硅片切割理論厚度（200±20）μｍ。

2.3 實驗方法及過程

通過調(diào)整工藝參數(shù)的線速、入刀進(jìn)給速度、張力、切割液流量，每種參數(shù)調(diào)整按照５次切割實驗進(jìn)行，調(diào)整過程中其他兩種參數(shù)維持不變，對每次切割完成后硅片表觀類型崩邊、色差、污片的比例進(jìn)行統(tǒng)計對照。

實驗一：在張力以及切割液流量維持不變的情況下，將線速按照1100、1150、1200、1250、1300m/min分別完成一刀切割。對單刀硅片表觀不良情況進(jìn)行統(tǒng)計。

實驗二：在線速以及切割液流量維持不變的情況下，將張力按照9.5、10.0、10.5、11.0、１12Ｎ 設(shè)定分別完成一刀切割。對單刀硅片表觀不良情況進(jìn)行統(tǒng)計。

實驗三：在張力以及線速維持不變的情況下，將切割液流量按照170、180、190、200、210L/min分別完成一刀切割。對單刀硅片表觀不良情況進(jìn)行統(tǒng)計。

2.4 工藝參數(shù)對表觀質(zhì)量影響分析

１）線速變化的影響分析

通過完成實驗一，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，見表１。

對表１中數(shù)據(jù)變化趨勢進(jìn)行分析，當(dāng)線速增加的情況，崩邊的比例出現(xiàn)明顯的下降，當(dāng)線速達(dá)到1200m/min以上，崩邊比例基本維持在２％左右，趨于穩(wěn)定；色差比例略有下降，幅度較小，達(dá)到1250m/min以上時基本在1.6%左右；而污片基本與線速調(diào)整關(guān)系不大。

結(jié)合金剛線切割原理進(jìn)行分析，切割的作用主要通過金剛石顆粒實現(xiàn)，當(dāng)線速增加時單位時間參與切割的金剛石顆粒比例增大，鋼線切割能力增強(qiáng)，在硅片邊緣部位鋼線行走更為平穩(wěn)，因此崩邊比例下降。同時，切割能力增加也使得在切割后期鋼線切割環(huán)境維持穩(wěn)定，有助于對色差的改善。

２）張力變化的影響分析

通過完成實驗二，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，見表２。

對表２中數(shù)據(jù)變化進(jìn)行分析，在鋼線張力增加情況下，崩邊和色差比例略微有所下降，但整體幅度都不大。其根本原因在于，張力的增加能夠減小切割中線弓，保證切割進(jìn)刀及出刀的平穩(wěn)性，但是由于切割過程更多與鋼線的切割能力有關(guān)，因此改善效果不明顯。另外，污片比例變化不大。

３）切割液流量變化的影響分析

通過完成實驗三，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，見表３。

對表３中數(shù)據(jù)變化進(jìn)行分析，當(dāng)切割液流量增加情況下，崩邊比例基本維持不變；色差比例有所下降，主要原因在于，流量增大后，在一定程度上能夠降低出刀階段硅粉在切割面堆積而影響切割環(huán)境，局部區(qū)域切割液中硅粉含量不會增加；而污片比例則出現(xiàn)明顯的下降，這也主要是因為，切割液增大流速后，對于硅片切割過程中出現(xiàn)的硅粉能夠及時進(jìn)行分散，硅片表面的殘留物難易附著。

３結(jié)語

通過對切割工藝中的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，同時結(jié)合切割數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，能夠明確工藝變化對于硅片表面質(zhì)量的指向性。對于生產(chǎn)過程中硅片的質(zhì)量工作面巷道的支護(hù)提供一定的技術(shù)參考。

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