CN107263750B - 太阳能硅片的切割方法及三维结构太阳能硅片 - Google Patents

太阳能硅片的切割方法及三维结构太阳能硅片 Download PDF

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Abstract

本发明揭示了太阳能硅片的切割方法及三维结构太阳能硅片，太阳能硅片的切割方法，包括如下步骤：S1，驱动工件进行Z轴方向进给，使工件与切割线接触；S2，驱动工件同时进行Z轴方向进给和Y轴方往复向进给，切割出具有波浪形切割面的太阳能硅片。本发明设计精巧，在驱动工件向切割线方向进行轴向进给的同时，驱动工件沿水平方向往复运动，从而使切割线能够在工件表面切割形成波浪形状的三维结构，并且通过对切割线运行速度和两个方向进给参数的设置，提供了一种能够实现三维结构硅片切割的新方法，工序简单，容易实现。

Description

太阳能硅片的切割方法及三维结构太阳能硅片
技术领域
本发明涉及太阳能电池板领域，尤其是太阳能硅片的切割方法及三维结构太阳能硅片。
背景技术
太阳能硅片是太阳能电池板的重要组成部分，其性能的好坏直接影响太阳能电池板的电池效率，其主要通过切片工艺实现，切片是硅单晶由晶棒变成硅片的一个重要步骤，硅单晶的切片工艺主要有两种：内圆切割和线切割。
对于内圆切割，国内大多采用水作为切削冷却液，由于硅的硬度较高，在切割过程中会产生大量的摩削热，硅片表面会出现毛刺、崩缺、刀痕等不良现象，致使切速无法提高，耗时较长，工序生产效率低下，随着晶体直径的增大，这种限制尤为明显。
切片过程中硅片因机械作用造成的刀痕、损伤、破损会导致产生包括机械应力和热应力在内的应力，进而产生滑移位错，当机械应力与热应力在高温处理过程中的作用超过晶体滑移临界应力时会产生硅片的破碎，而且重金属杂质在缺陷中更易扩散，因此必须减少刀痕。
而太阳能硅片的线切割主要有砂浆线切割和金刚线切割，其中砂浆线切割的机理就是机器导轮在高速运转中带动钢线，从而由钢线将聚乙二醇和碳化硅微粉混合的砂浆送到切割区，在钢线的高速运转中与压在线网上的工件连续发生摩擦完成切割的过程。
在整个切割过程中，对硅片的质量以及成品率起主要作用的是切割液的粘度、碳化硅微粉的粒型及粒度、砂浆的粘度、砂浆的流量、钢线的速度、钢线的张力以及工件的进给速度等。
而金刚石线切割机采用金刚石线单向循环或往复循环运动的方式，使金刚石线与被切割物件间形成相对的磨削运动，从而实现切割的目的。
目前，现有的线切割工艺或内圆切割工艺基本适用于平坦的平面结构的太阳能硅片的切割，由于工艺的限制，鲜有报道成功使用金刚线切割工艺加工三维结构太阳能硅片的成功案例。
同时现有的平面结构的太阳能硅片的光电转化率的提高已经成为太阳能电池制作领域的难题，即使是1％左右的提高，过去平均都需要2-3年的时间，并且为了获得高转化率，向新工程所投入的研究开发费用从全世界范围来看，现有所有太阳能电池制造公司在互相竞争中开发所以费用简直是天文数字。
发明内容
本发明的目的就是为了解决现有技术中存在的上述问题，通过使工件同时进行两个方向的进给，从而使得切割线能够在工件上形成三维形状结构，从而提供了三维结构太阳能硅片的切割方法及具有三维机构的太阳能硅片。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：
太阳能硅片的切割方法，包括如下步骤：
S1，驱动工件进行Z轴方向进给，使工件与切割线接触；
S2，驱动工件同时进行Z轴方向进给和Y轴方向往复进给，切割出具有波浪形切割面的太阳能硅片。
优选的，所述的太阳能硅片的切割方法，其中：切割过程中采用金刚线多线锯切割工艺，切割线的运动速度在20-25m/s之间。
优选的，所述的太阳能硅片的切割方法，其中：金刚线的直径为0.05-0.1mm之间。
优选的，所述的太阳能硅片的切割方法，其中：工件Z轴方向进给的速度在0-1mm/min之间。
优选的，所述的太阳能硅片的切割方法，其中：在S1步骤中，当切割线与工件接触时，使工件继续进行0.5-2mm行程的Z轴方向进给后再执行S2步骤。
优选的，所述的太阳能硅片的切割方法，其中：在S2步骤中，Y轴方向进给包括一组连续且重复的往复运动过程，在一个往复运动过程中，Y轴方向往复进给的行程相同，且Y轴方向进给平均速度满足如下公式：
p/vZ＝2d/vY
其中,p为波长；d为波深；vZ为Z轴方向进给速度；vY为Y轴方向进给平均速度。
优选的，所述的太阳能硅片的切割方法，其中：在S2步骤中，一个往复运动过程中至少包括依次进行的从0速度开始的加速阶段、减速至0速度的减速阶段、从0速度开始的反向加速阶段以及减速至0速度的反向减速阶段。
优选的，所述的太阳能硅片的切割方法，其中：在加速阶段与减速阶段之间和/或反向加速阶段与反向减速阶段之间还包括匀速进给阶段。
优选的，所述的太阳能硅片的切割方法，其中：在一个往复运动过程中，从加速阶段开始到减速阶段结束的时间总和等于从反向加速阶段开始到反向减速阶段结束的时间总和，且金刚线在两个时间段内切割形成的切割痕迹的镜像对称；或
在一个往复运动过程中，从加速阶段开始到减速阶段结束的时间总和小于或大于从反向加速阶段开始到反向减速阶段结束的时间总和，且金刚线在两个时间段内形成的切割痕迹的长度、形状不同。
优选的，所述的太阳能硅片的切割方法，其中：在S2步骤中，
当形成的波浪形切割面为对称波形时，波长与波深的比值不小于2：1；
当形成的波浪形切割面为非对称波形时，从波谷到相邻波峰之间的Z轴方向进给行程以及从波峰到相邻波谷之间的Z轴方向进给行程中较大的一个与波深的比值不小于1：1。
优选的，所述的太阳能硅片的切割方法，其中：在S2步骤中，在切割线距离工件边缘0.5-2mm的行程时，将工件同时进行Z轴方向进给和Y轴方向进给切换为只进行Z轴方向进给。
优选的，所述的太阳能硅片的切割方法，其中：在所述S2步骤中，
当形成的波浪形切割面为对称波形时，相邻两根切割线切割形成的太阳能硅片的最大波中厚度满足如下公式：
其中：t为太阳能硅片的最大波中厚度，T为相同设备条件下切割得到的平面太阳能硅片的厚度，γ为波形纵深比；
当形成的波浪形切割面为非对称波形时，相邻两根切割线切割形成的太阳能硅片的最大波中厚度满足如下公式：
其中：t为太阳能硅片的最大波中厚度，T为相同设备条件下切割得到的平面太阳能硅片的厚度，γ为波形纵深比。
具有三维结构太阳能硅片，采用上述任一的方法形成，且具有对称性波纹形状或非对称性波纹形状。
本发明技术方案的优点主要体现在：
本发明设计精巧，在驱动工件向切割线方向进行轴向进给的同时，驱动工件沿水平方向往复运动，从而使切割线能够在工件表面切割形成波浪形状的三维结构，并且通过对切割线运行速度和两个方向进给参数的设置，提供了一种能够实现三维结构硅片切割的新方法，工序简单，容易实现。
具有三维结构太阳能硅片，具有更大的表面积，并且在工作时，能够多次反射吸收光线，从而提高光电转换率。
由于在同时进行Y轴方向进给和Z轴方向进给之前以及之后都只进行Z轴方向进给，因此能够充分避免一直同时进行两个方向的进给易造成形成的太阳能硅片的首末端易出现毛刺、崩边的问题。
通过对波形参数的控制，能够有效的保证三维结构太阳能硅片的最大波中厚度，能够有效减小机械应力，避免硅片破损，同时也便于后续的涂胶、印刷等工艺的进行。
相对于砂浆线切割工艺，平面切割工艺的时间约为8-9小时，采用金刚线多线锯切割，仅需4-5小时，节约了约50％时间，大大提高了切割效率。
附图说明
图1是本发明的过程示意图；
图2是本发明的金刚线多线锯切割状态示意图；
图3本发明的三维结构太阳能硅片的结构示意图。
具体实施方式
本发明的目的、优点和特点，将通过下面优选实施例的非限制性说明进行图示和解释。这些实施例仅是应用本发明技术方案的典型范例，凡采取等同替换或者等效变换而形成的技术方案，均落在本发明要求保护的范围之内。
本发明揭示了太阳能硅片的切割方法，如附图1所示，包括如下步骤：
S1，驱动工件进行Z轴方向进给，使工件与切割线接触；
S2，驱动工件同时进行Z轴方向进给和Y轴方向往复进给，切割出具有波浪形切割面的太阳能硅片。
其中，如附图2所示，整个切割过程采用金刚线多线锯切割工艺，切割线的运动速度在20-25m/s之间，多线锯能够同时切割出多个太阳能硅片，且速度的优选能够提高切割速度，进而改善切割效率；由于金刚线的直径直接影响切割得到的太阳能硅片的厚度，本实施例中优选金刚线的直径为0.05-0.1mm之间，从而能够有利于在相同硅锭条件下获得更多的太阳能硅片单体。
同时，在S1、S2步骤中，工件Z轴方向进给的速度保持恒定，从而在实际切割过程中，只要对Y轴方向进进给行控制即可，降低了控制的难度，有利于保证加工的精确性，本实施例中优选工件Z轴方向进给的速度在0-1mm/min之间。
而在S2步骤中，Y轴方向进给包括一组连续且重复的往复运动过程，在一个往复运动过程中，Y轴方向往复进给的行程相同，且Y轴方向进给平均速度根据Z轴速度、波长p、波深d这三个参数变化而变化，具体的，Y轴方向进给平均速度满足如下公式：
p/vZ＝2d/vY
其中,p为波长，即相邻两个波谷之间的距离；d为波深，及波峰到两个波谷连线的距离；vZ为Z轴方向进给速度；vY为Y轴方向进给平均速度，
可以理解为：Z轴在额定速度vZ下走完一个波长的长度，Y轴需要走完2个波深的长度，这是因为必须要使相邻两个波谷的连线与单独进行Z轴方向进给时金刚线在工件上形成的切割痕迹重合，这样才能保证后续切割的可控性和一致性。
并且，在S2步骤中，Y轴方向进给速度可能不是匀速的，而是存在多个变化的过程，优选来说，在一个往复运动过程中Y轴方向进给速度至少包括依次进行的从0速度开始的加速阶段、减速至0速度的减速阶段、从0速度开始的反向加速阶段以及减速至0速度反向减速阶段，同时，在其他实施例中，在加速阶段与减速阶段之间和/或反向加速阶段与反向减速阶段之间可能还包括匀速进给阶段。
在一个往复运动过程中，从加速阶段开始到减速阶段结束的时间总和等于从反向加速阶段开始到反向减速阶段结束的时间总和，在两个阶段中，速度的变化情况是一致的，且金刚线在两个时间段内切割形成的切割痕迹的长度、形状相同，即镜像对称，此时形成的波浪形为对称结构，如附图3(a)所示。
当然，在其他实施例中，在一个往复运动过程中，从加速阶段开始到减速阶段结束的时间总和也可以小于或大于从反向加速阶段开始到反向减速阶段结束的时间总和，由于两个时间段的时间不同，但是它们进给的距离相同，因此时间较短的时间段内，Y轴方向进给的平均速度应大于另一时间段内Y轴方向进给的平均速度，且金刚线在两个时间段内形成的切割痕迹的长度、形状不同，此时形成的波浪形为非对称结构，如附图3(b)所示形态。
并且，发明人研究发现，在加工过程中，波形纵深比的控制是一个关键的因素，其中，如附图3所示，在对称结构的波浪形太阳能硅片中，波形纵深比是波长L与波深h的比值；而在非对称结构的波浪形太阳能硅片中，当非对称波浪形为如附图3(b)所示的右倾斜时，波形纵深比是从波谷到相邻波峰之间Z轴方向进给行程s到波谷之间Z轴方向进给行程s与波深h的比值，当非对称波浪形为左倾斜时，波形纵深比是波峰到波谷之间Z轴方向进给行程与波深h的比值。
例如在对称结构的波浪形太阳能硅片中，波形纵深比分别为4：1，8：1和2：1时，虽然宏观结构上都是波浪形状，但是不同波形纵深比的硅片的表面积和光的吸收率是不一样的，与同尺寸的平面结构硅片相比，对应的表面积的比值为1：1.2：1.03：1.41，即波形纵深比越大，波形越平缓，相应的表面积越小。
然而，波形纵深比除了影响表面积和光的吸收率，还对硅片的机械应力和后续的加工产生影响，过小的纵深比，在制造加工过程中，容易产生应力破片现象，而且，在生产光伏电池工艺的后期阶段，涂胶、印刷等工艺也会因为过小的纵深比而变得困难。
另外，发明人进一步发现，波形纵深比还会影响三维结构太阳能硅片的波中厚度，传统的平面结构硅片工艺生产中，硅片的厚度取决于主轴槽间距和金刚线的直径大小，而在三维结构硅片切割工艺中，主轴槽间距和金刚线的直径影响硅片始末两段的位置，而波形纵深比直接影响波中的厚度。
具体来说，相邻两根切割线切割形成的太阳能硅片的最大波中厚度满足如下公式：
其中：t为太阳能硅片的最大波中厚度，T为相同设备条件下切割得到的平面太阳能硅片的厚度，γ为波形纵深比，且需要注意的是，最大波中厚度必定小于三维结构太阳能硅片始末两段的厚度。
当形成的波浪形切割面为非对称波形时，相邻两根切割线切割形成的太阳能硅片的最大波中厚度满足如下公式：
Figure GDA0002131007030000082
其中：t为太阳能硅片的最大波中厚度，T为相同设备条件下切割得到的平面太阳能硅片的厚度，γ为波形纵深比。
因此，发明人经过研究优选：
当形成的波浪形切割面为对称波形时，波长与波深的比值不小于2：1；
当形成的波浪形切割面为非对称波形时，从波谷到相邻波峰之间的Z轴方向进给行程以及从波峰到相邻波谷之间的Z轴方向进给行程中较大的一个与波深h的比值不小于1：1。
进一步，发明人还发现，在加工过程中，如果在工件与切割线接触后，直接执行S2步骤，得到的太阳能硅片的首末端会产生毛刺或崩边的缺陷，而这将导致三维结构太阳能硅片在太阳能电池制造过程中破损可能性很大，而在同时进行两个方向进给的过程前后分别预留一定行程的Z轴方向进给，从而使得三维太阳能硅片的首末两端为平面结构，能够有效的解决之前采用首末波浪形切割造成的切面粗糙、毛刺和崩边现象。
因此，如附图1所示，在S1步骤中，当切割线与工件接触时，使工件继续进行0.5-2mm行程的Z轴方向进给后再执行S2步骤；同时，在S2步骤中，在切割线距离工件边缘0.5-2mm的行程时，将工件同时进行Z轴方向进给和Y轴方向进给切换为只进行Z轴方向进给，从而能够在切割得到的三维结构太阳能硅片的首末两端形成平面结构，以解决上述问题。
本发明还揭示了具有三维结构太阳能硅片，采用上述的方法形成，且具有对称性波纹形状或非对称性波纹形状，如附图3所示，它们的首末端均为平面结构。
平面结构的太阳能硅片，表面积是有限定，并且接收的光线有绝大部分被平面表面直接反射出去，而太阳能组件制绒工艺过程实际上就是为了减少光线的反射，相比于长宽一致的平面结构太阳能硅片，三维结构太阳能硅片，尤其是非对称性波浪形太阳能硅片，在与平面结构太阳能硅片同尺寸条件下，表面积更大，并且表面积还会随着波形纵深比的减小而增加，同时，三维结构太阳能硅片使得光线可以在硅片的波浪形表面结构内部来回反射，反复吸收，从而达到提升光电转换效率的效果。
同时，由于太阳从东到西移动，而太阳在不同位置会导致平面结构的太阳能电池的光电转换效率具有的很大差异，但是三维结构太阳能硅片,尤其是，非对称性波浪形太阳能硅片，随太阳位置变化而导致的太阳能电池的光电转换效率差异较小，这有利于在不同太阳位置下保持同等高效的光电转换效率。
最后，采用普通平面结构的太阳能硅片制成的太阳能电池，随着太阳光光照强度增加，单位面积的电流密度并没有显著变化，而采用三维结构太阳能硅片，尤其是非对称性波浪形太阳能硅片而制成的太阳能电池，单位面积的电流密度随着太阳光的光照强度增加显著提升，具有使得太阳能电池转换效率显著提升的优点。
本发明尚有多种实施方式，凡采用等同变换或者等效变换而形成的所有技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.太阳能硅片的切割方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1，驱动工件进行Z轴方向进给，使工件与切割线接触；
S2，驱动工件同时进行Z轴方向进给和Y轴方向往复进给，切割出具有波浪形切割面的太阳能硅片；形成的波浪形切割面为非对称波形，从波谷到相邻波峰之间的Z轴方向进给行程以及从波峰到相邻波谷之间的Z轴方向进给行程中较大的一个与波深的比值不小于1：1；
其中，一个往复运动过程中至少包括依次进行的从0速度开始的加速阶段、减速至0速度的减速阶段、从0速度开始的反向加速阶段以及减速至0速度的反向减速阶段，在加速阶段与减速阶段之间和/或反向加速阶段与反向减速阶段之间还包括匀速进给阶段；
且切割过程中采用金刚线多线锯切割工艺，切割线的运动速度在20-25m/s之间。
2.根据权利要求1所述的太阳能硅片的切割方法，其特征在于：金刚线的直径为0.05-0.1mm之间。
3.根据权利要求1所述的太阳能硅片的切割方法，其特征在于：工件Z轴方向进给的速度在0-1mm/min之间。
4.根据权利要求1所述的太阳能硅片的切割方法，其特征在于：在S1步骤中，当切割线与工件接触时，使工件继续进行0.5-2mm行程的Z轴方向进给后再执行S2步骤。
5.根据权利要求1-4任一所述的太阳能硅片的切割方法，其特征在于：在S2步骤中，Y轴方向进给包括一组连续且重复的往复运动过程，在一个往复运动过程中，Y轴方向往复进给的行程相同，且Y轴方向进给平均速度满足如下公式：
p/vZ=2d/vY
其中,p为波长；d为波深；vZ为Z轴方向进给速度；vY为Y轴方向进给平均速度。
6.根据权利要求1所述的太阳能硅片的切割方法，其特征在于：在一个往复运动过程中，从加速阶段开始到减速阶段结束的时间总和小于或大于从反向加速阶段开始到反向减速阶段结束的时间总和，且金刚线在两个时间段内形成的切割痕迹的长度、形状不同。
7.根据权利要求6所述的太阳能硅片的切割方法，其特征在于：在S2步骤中，在切割线距离工件边缘0.5-2mm的行程时，将工件同时进行Z轴方向进给和Y轴方向进给切换为只进行Z轴方向进给。
8.具有三维结构太阳能硅片，其特征在于：采用权利要求1-7任一所述的方法。
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