CN101101937A - 太阳能硅片的切割制绒一体化加工方法及装置 - Google Patents

太阳能硅片的切割制绒一体化加工方法及装置 Download PDF

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Abstract

一种太阳能硅片的切割制绒一体化加工方法及装置，属特种加工范畴，针对低电阻率(0.01～100Ω·cm)的单晶或多晶硅锭，采用较高电导率(0.1～10ms/cm)工作液，基于无切削力的电火花放电和高温脉冲电化学腐蚀复合加工原理，实现太阳能硅片高效低成本切割及绒面制作，满足晶硅太阳电池的生产工艺需求。

Description

太阳能硅片的切割制绒一体化加工方法及装置
技术领域
本发明涉及一种利用电火花电解复合线切割技术对硅片进行切割即可得到无需进一步制绒处理硅片的一体化加工方法及装置，具体地说是一种太阳能硅片的切割制绒一体化加工方法及装置。
背景技术
目前，作为一种取之不尽的清洁能源，太阳能的开发利用正引起人类从未有过地极大关注。尽管人们对各种类型的太阳电池进行了多年的研究和开发，迄今为止，实现大规模商业化的太阳能电池仍然是无毒性的晶硅电池。单晶和多晶硅太阳能电池的特点是转换效率高、寿命长和稳定性好，但成本较高，其中硅片的材料成本占太阳能电池总成本的30％以上。尽管目前已能采用多线切割方法生产出面积较大(25cm×25cm)而又较薄的硅片，但由于仍属于非刚性切割，在切割过程中线锯必然产生变形从而不断对切割硅片产生瞬间的冲击作用，同时还要兼顾切缝内钢丝的冷却问题，要使目前的大尺寸硅片厚度从300μm左右进一步降低，并提高硅片切割厚度和控制切割损耗，实现低成本高效切割，技术难度相当大。
此外，在太阳能晶硅电池的生产工艺中，硅片表面织构化是提高太阳能电池表面的光吸收从而提高其转换效率的重要手段之一。对于单晶硅，可以通过各向异性腐蚀在表面形成随机分布的金字塔型绒面，以增加光吸收。但是，由于多晶硅晶粒取向的随机性，各向异性腐蚀不能有效增加光吸收。目前，探索更加有效的晶硅绒面制备技术已成为国内外研究热点。
近年来，国内外针对硅片切割技术的应用需求，除了进行多线切割研究之外，也在寻找新的加工途径，其中放电切割则是一种颇具竞争力的特种加工技术手段。比利时鲁文大学采用低速走丝电火花线切割技术进行了硅片切割研究，日本冈山大学采用电火花线切割技术(WEDM)，以去离子水作为工作液，进行了单晶硅棒切割加工研究，并研制了多线放电切割原理样机。该方法的依据是取向生长法形成的单晶硅锭具有很低的电阻率(0.01Ω·cm)，使得用线切割放电加工技术切割硅锭成为可能。用线切割放电加工法所获得的硅片总厚度变化(TTV)和弯曲程度(Warp)与多线切割结果几乎一样。切缝造成的硅材料损失大约为250μm，与多线切割法得到的数值相当。但是，在上述相关研究中，由于采用去离子水作为工作介质，放电能量较大，硅片表面有明显的热影响区，加工效率不高(目前最高切割效率＜100mm2/min)，并且没有考虑硅片表面金属元素残留问题，所以，目前尚不能与太阳能硅片电池制造工艺兼容。
发明内容
本发明目的是针对采用现有硅片切割方法，切割厚度很难进一步降低，切割效率不高，，无法满足太阳能硅片日益增长需求等问题，发明一种基于无切削力的电火花放电和高温脉冲电化学腐蚀复合加工原理，，实现大尺寸超薄太阳能硅片电火花电解复合切割制绒一体化的加工方法及装置，并具有加工成本低、效率高等突出特点。
本发明的技术方案是：
一种太阳能硅片的切割制绒一体化加工方法，其特征是：
首先，以钼丝或钨丝作为工具电极，走丝速度在1～15m/s之间可调，对太阳能硅棒或硅锭进行电火花电解复合切割及制绒一体化加工；
其次，在加工过程中，脉冲电源的电压脉冲宽度在1-128μs之间可调，电压幅值0～100V可调，同时保证在脉冲间隔内仍维持足以使太阳能硅棒或硅锭表面产生电化学腐蚀的直流电压，该直流电压幅值应低于正常放电间隙的击穿电压(通常低于15V)；
第三，在电极丝切割区域内喷射电导率为0.1～10ms/cm的工作液，以满足冷却和电化学腐蚀的需要。
所述的工作液为由洗涤性良好的多种表面活性剂及防锈剂等物质配制而成的弱碱性液体，它主要由8～10％的油酸，2～3％的三乙醇氨，2～4％的KOH，1～1.5％的十二烷基硫酸钠，1～2％的钼酸钠，1～2％的硼砂，5～6％的植物油，4～6％的松香，1.5～2％的甘油，0.2～0.5％的硅油，1.5～2％的OP乳化剂，及余量的工业纯净水组成。
一种太阳能硅片的切割制绒一体化加工装置，包括控制系统1、脉冲电源2、XY工作台6、电极丝11，其特征是所述的脉冲电源2为高频脉冲电源，它的脉宽范围在1-128μs之间可调，所述的工件10安装在XY工作台6上，XY工作台6的X向和Y向驱动机构均受控于控制系统1，电极丝11穿过XY工作台6、工件10后绕装在丝筒12上，丝筒12连接有丝筒电机13，丝筒电机13通过变频器14与控制系统1相连，脉冲电源2的输出正极与工件10相连，其输出负极与电极丝11相连，脉冲电源2的控制端与控制系统1相连，在工件10的上表面附近安装有上喷嘴5，在工件10的下表面附近安装有下喷嘴9，上喷嘴5和下喷嘴9均与液压泵7的输出端相连，液压泵7的输入端位于复合工作液槽8中；在工作台上方还安装有显示器4和用于检测放电电流的霍尔传感器3。
本发明的有益效果：
1、将极大地提高太阳能硅片切割效率，最高切割效率＞600mm2/min，缩短太阳能电池工艺流程和制造时间。
2、可以减少生产过程中有毒化学溶液的使用和废液排放，是一种先进的绿色制造技术。
3、工艺成本低廉。
4、由于电火花电解复合加工过程中会在切割面产生很小的类似于绒面的凹坑，具有较好的减反射效果，因此利用本发明方法加工所得的硅片可省去后续的制绒工艺，减少制造成本。
5、利用本发明的方法可加工出厚度在200微米以下，尺寸(长、宽)大于300毫米的硅片，突破了传统线锯切割加工的极限。
6、利用本发明的方法加工硅片时，其切缝可宽度可小于200微米，有利于减少原材料损耗。
附图说明
图1是本发明装置的结构示意图。
图2是本发明方法的加工流程示意图。
图3实现电火花电解复合加工的脉冲电源电压空载波形示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
如图2所示。
实施例一。
一种太阳能硅片的切割制绒一体化加工方法，它包括以下步骤：
首先，将待加工硅锭或硅棒安装在电火花加工机床的工作台上，该工作台具有水平面上前后和左右二个方向的运动控制机构；
其次，以钼丝或钨丝作为工具电极，走丝速度在1～15m/s之间可调；
第三，在加工过程中，脉冲电源的电压脉冲宽度在1～128μs微秒之间可调，电压幅值0～100V可调，同时保证在脉冲间隔内仍维持足以使太阳能硅棒(锭)表面产生电化学腐蚀的直流电压，该直流电压幅值应低于正常放电间隙的击穿电压(通常低于15V)；
第四，根据硅棒(锭)的电阻率，在电极丝进入硅锭的切入点和穿出硅锭的穿出点处连续喷射电导率为0.1～10ms/cm的工作液，以满足冷却和电化学腐蚀的需要。其中工作液为由洗涤性良好的多种表面活性剂及防锈剂等物质配制而成的弱碱性液体。
由上可知，脉冲宽度、电压幅值及工作液是保证本发明加工出符合要求的切片的重要因素，脉冲宽度、电压幅值等可通过常规的电路加以实现，而工作液的配制需严格按本发明的配方加以配制，它是申请人经过大量实验得出的最佳配方，以下是常用的几个工作液配方，但不仅限于所列配方，对于本领域的技术人员而言根据本发明所公开的配方另行配制出符合使用要求即洗涤性好、含有多种表面活性剂、具有防锈及喷射电导率为0.1～10ms/cm的弱碱性液体。
工作液配方一(以配制1000克的工作液为例)：油酸90克，三乙醇氨20克，KOH 30克，十二烷基硫酸钠15克，钼酸钠10克，硼砂15克，植物油50克，松香50克，甘油15克，硅油3克，OP乳化剂15克，余量为工业纯净水687克。
工作液配方二(以配制1000克的工作液为例)：油酸80克，三乙醇氨20克，KOH 20克，十二烷基硫酸钠10克，钼酸钠10克，硼砂10克，植物油50克，松香40克，甘油15克，硅油2克，OP乳化剂15克，余量为工业纯净水728克。
工作液配方三(以配制1000克的工作液为例)：油酸100克，三乙醇氨30克，KOH 40克，十二烷基硫酸钠15克，钼酸钠20克，硼砂20克，植物油60克，松香60克，甘油20克，硅油5克，OP乳化剂20克，余量为工业纯净水610克。
详述如下：
一种太阳能硅片切割制绒一体化技术工艺方法，其步骤为：
首先选择低电阻率(0.01～100Ω·cm)的单晶硅棒或多晶硅锭，安装在工作台上，工作台行程大于硅锭直径(或边长)；
其次基于无切削力放电切割原理，选用合适直径的钨丝或钼丝作为电极丝，保持恒张力，丝速可调(调节范围为1～15m/s)；
第三，根据不同电阻率硅锭，选择合适电导率(0.1～10ms/cm)的工作液(可选上述配方一、二或三中的任一种)；
第四，采用对应的脉冲电源(电压脉冲宽度在1～128μs之间可调)，在切割加工过程中，使尽可能多的工作脉冲同时含有电火花放电和电化学腐蚀过程；为进一步提高切割效率和制绒效果，在工作脉冲间隙维持足以产生电化学腐蚀的直流电压，电压幅值以小于正常放电间隙的击穿电压为准(一般低于15伏)，如图3所示；
第五，采用对应的伺服控制策略，根据硅片蚀除速度的不同，采用不同的伺服跟踪策略；
第六，切割完毕后，分离、清洗硅片，此时可以得到表面完整性好(即满足平整度、总厚度误差要求、无表面热影响区以及无有害元素残留要求)的太阳能硅片，同时，具有较好的减反射效果，可取消后续制绒工艺；
第七，如实际生产工艺要求，切割后的硅片也可以按照常规制绒工艺方法进行后续处理。
与上述方法相配的太阳能硅片的切割制绒一体化加工装置如图1所示，它包括控制系统1、脉冲电源2、XY工作台6、电极丝11(钼丝或钨丝)，所述的脉冲电源2为高频脉冲电源，电压脉冲宽度在1-128μs之间可调，所述的工件10安装在XY工作台6上，XY工作台6的X向和Y向驱动机构均受控于控制系统1，电极丝11穿过XY工作台6、工件10后绕装在丝筒12上，丝筒12连接有丝筒电机13，丝筒电机13通过变频器14与控制系统1相连，脉冲电源2的输出正极与工件10相连，其输出负极与电极丝11相连，脉冲电源2的控制端与控制系统1相连，在工件10的上表面附近安装有上喷嘴5，在工件10的下表面附近安装有下喷嘴9，上喷嘴5和下喷嘴9均与液压泵7的输出端相连，液压泵7的输入端位于复合工作液槽8中；在工作台上方还安装有显示器4和用于检测放电电流的霍尔传感器3。
其中的控制系统可采用现有的电火花加工机床的控制系统进行适当的改造，可采用现有技术加以实现，XY工作台6也可采用与现有的电火花加工机床相同的机构，目的是完成进给和定位。其余未涉及部分可采用现有技术加以实现。

Claims (4)

1、一种太阳能硅片的切割制绒一体化加工方法，其特征是：
首先，以钼丝或钨丝作为工具电极，使走丝速度在1～15m/s之间可调，对太阳能硅棒或硅锭进行电火花电解复合切割及制绒一体化加工；
其次，在加工过程中，脉冲电源的电压脉冲宽度在1-128μs之间可调，电压幅值0～100V可调，同时保证在脉冲间隔内仍维持足以使太阳能硅棒或硅锭表面产生电化学腐蚀的直流电压，该直流电压幅值应低于正常放电间隙的击穿电压；
第三，在电极丝切割区域内喷射电导率为0.1～10ms/cm的工作液，以满足冷却和电化学腐蚀的需要。
2、根据权利要求1所述的太阳能硅片的切割制绒一体化加工方法，其特征是所述的硅锭为电阻率介于0.01～100Ω·cm之间的多晶硅锭，所述的硅棒为电阻率介于0.01～100Ω·cm之间的单晶硅棒。
3、根据权利要求1所述的太阳能硅片的切割制绒一体化加工方法，其特征是所述的工作液由8～10％的油酸，2～3％的三乙醇氨，2～4％的KOH，1～1.5％的十二烷基硫酸钠，1～2％的钼酸钠，1～2％的硼砂，5～6％的植物油，4～6％的松香，1.5～2％的甘油，0.2～0.5％的硅油，1.5～2％的OP乳化剂，及余量的工业纯净水组成。
4、一种太阳能硅片的切割制绒一体化加工装置，包括控制系统(1)、脉冲电源(2)、XY工作台(6)、电极丝(11)，其特征是所述的脉冲电源(2)为高频脉冲电源，它的脉宽范围在1～128μs之间可调，所述的工件(10)安装在XY工作台(6)上，XY工作台(6)的X向和Y向驱动机构均受控于控制系统(1)，电极丝(11)穿过XY工作台(6)、工件(10)后绕装在丝筒(12)上，丝筒(12)连接有丝筒电机(13)，丝筒电机(13)通过变频器(14)与控制系统(1)相连，脉冲电源(2)的输出正极与工件(10)相连，其输出负极与电极丝(11)相连，脉冲电源(2)的控制端与控制系统(1)相连，在工件(10)的上表面附近安装有上喷嘴(5)，在工件(10)的下表面附近安装有下喷嘴(9)，上喷嘴(5)和下喷嘴(9)均与液压泵(7)的输出端相连，液压泵(7)的输入端位于复合工作液槽(8)中；在工作台上方还安装有显示器(4)和用于检测放电电流的霍尔传感器(3)。
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