CN107881560A - 一种晶体硅棒的预处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种晶体硅棒的预处理方法，将电源与晶体硅棒连接并通电加热，调整电源电压，使晶体硅棒内的电流维持稳定以加热至目标温度，待晶体硅棒自然冷却至室温后切割。当晶体硅棒通电时，晶体硅棒作为导体，温度将逐渐升高，电流维持稳定将使晶体硅棒按照一定的温升速率均匀升温，晶体硅棒内部由于局部应力分布不均或其他缺陷等原因，将产生微小的电阻率和导电性差异，这些差异将导致局部温度升高，从而使晶体硅棒自身调节降低局部的应力，减小内部热应力，从而降低晶体硅棒硬度及加工难度，减少金刚线切割单片用线量，从而降低金刚线切片加工成本；且通过通电加热晶体硅棒，晶体硅棒内外温度均匀，显著提高了晶体硅棒的加热速率。

Description

一种晶体硅棒的预处理方法
技术领域
本发明涉及太阳能电池技术领域，尤其涉及一种晶体硅棒的预处理方法。
背景技术
太阳能光伏发电作为最有潜力的可再生资源利用形式之一，在近年来取得了飞速的发展。多晶硅片制备的太阳能电池具有光电转换效率较高且成本较低的优势，已逐渐占据了整个光伏行业的80％以上的市场份额，而且随着“平价上网”政策的驱动，这一比例还有望继续提高。
在多晶硅片制造行业，目前比较成熟的制造工艺为金刚线切割。金刚线切割晶体硅棒是两体磨削方式，金刚石固结在钢线表面，通过钢线的高速运动，金刚石可直接对晶体硅棒进行磨削加工。这种切割模式相对于传统的砂浆切割效率较高，单刀的切割时间可以由以前的6-7小时降低至1-2小时，每次对多晶晶体硅棒的加工过程可缩短至2-3h，晶体硅棒损耗由40％降低至32％以下，极大地节约了资源，而且切割过程产生的硅粉可回收利用，无多余污染物产生。
金刚线切割晶体硅棒虽然使生产效率大幅提高，但是金刚线在切割过程中的磨损加大，使得金刚线切片加工成本较高，金刚线的更换成本约占据金刚线切片加工成本的50％，成本较高，故降低金刚线单片耗线量是降低金刚线切片成本的有效途径之一。
在金刚线质量无波动情况下，影响多晶硅片切割单片耗线量的主要因素为晶体硅棒硬度。由于多晶晶体硅棒在晶体生长过程中，受到坩埚尺寸的限制以及自身重力的影响，晶体内部的应力较大且分布不均，晶体硅棒内部的应力将增加了晶体硅棒的硬度，造成晶体硅棒加工难度增加，耗线量升高。
此外，晶体硅棒内部的应力还会导致切割过程中出现大量的破片、崩边、线痕片以及硅片厚度变化量超标等问题，不利于晶体硅棒的快速切割。
发明内容
本发明的目的在于提出一种晶体硅棒的预处理方法，该方法降低了晶体硅棒的硬度，减小晶体硅棒内部的应力，提高了晶体硅棒的可切割性。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种晶体硅棒的预处理方法，将电源与晶体硅棒连接并通电加热，调整所述电源电压，使所述晶体硅棒内的电流维持稳定，待所述晶体硅棒加热至目标温度后自然冷却至室温。
其中，所述晶体硅棒的两端分别与电极的两端连接，所述电极与所述电源连接。
其中，所述晶体硅棒的两端是指晶体硅棒上任意对立的两个面。
其中，所述电极为石墨电极。
其中，所述电极与所述晶体硅棒之间设置有石墨纸或导电胶。
其中，所述石墨纸的表面经过去除氧化物工艺处理。
其中，所述晶体硅棒的两端通过电极与所述电源连接后，调整所述电极与所述晶体硅棒之间的接触压力，以控制所述电极与所述晶体硅棒之间的接触电阻。
其中，所述电极与所述晶体硅棒之间的接触电阻不大于5Ω。例如，电极与晶体硅棒之间的接触电阻可以为1Ω、2Ω、3Ω、4Ω、5Ω。
其中，所述目标温度为150℃-600℃。例如，目标温度可以为150℃、200℃、250℃、300℃、350℃、400℃、450℃、500℃、550℃、600℃。
其中，所述晶体硅棒外设置有保温层。
其中，所述晶体硅棒通电加热时的电流为10A-30A。例如，晶体硅棒通电加热时的电流可以为10A、11A、12A、13A、149A、15A、16A、17A、18A、19A、20A、21A、。22A、23A、24A、25A、26A、27A、28A、29A、30A。
其中，所述晶体硅棒在22℃-28℃的环境下冷却至常温。例如，晶体硅棒可以在23℃、23℃、24℃、25℃、26℃、27℃、28℃的环境下冷却至常温。常温的范围可以为22℃-28℃，具体的，可以为23℃、23℃、24℃、25℃、26℃、27℃、28℃。
有益效果：本发明提供的晶体硅棒的预处理方法，将电源与晶体硅棒连接并通电加热，调整所述电源电压，使所述晶体硅棒内的电流维持稳定，待所述晶体硅棒加热至目标温度后自然冷却至室温。当晶体硅棒通电时，晶体硅棒作为导体自然发热，温度将逐渐升高，电流维持稳定将使晶体硅棒按照一定的温升速率均匀升温，晶体硅棒内部由于局部应力分布不均或其他缺陷等原因，将产生微小的电阻率和导电性差异，这些差异将导致局部温度升高，从而使晶体硅棒自身调节降低局部的应力，减少内部局部应力团聚，减小内部热应力，从而可以降低晶体硅棒硬度及晶体硅棒的加工难度，减少金刚线切割单片用线量，从而显著降低金刚线切片加工成本；且通过通电加热晶体硅棒，晶体硅棒的内外温度均匀，一般在10min-60min内即可达到所需的温度，显著提高了晶体硅棒的加热速率。
附图说明
图1是本发明提供的晶体硅棒的预处理方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
本发明提供了一种晶体硅棒的预处理方法，可以降低晶体硅棒的硬度并减小内部的应力或缺陷，可以应用于晶体硅棒切割之前，有利于提高晶体硅棒的可切割性，进而提高晶体硅棒的切割效率，降低金刚线单片耗线量。
本发明中的预处理方法中，将电源与晶体硅棒连接，电源可以为直流电源或交流电源，使晶体硅棒通电加热。在加热过程中，通过控制电源施加在晶体硅棒上的电压，控制晶体硅棒内的电流维持稳定，从而使得晶体硅棒按照一定的加热速率加热。加热时可以通过红外测温枪或热电偶持续检测晶体硅棒表面的温度，当晶体硅棒加热到目标温度后，晶体硅棒自然冷却至室温，完成晶体硅棒的预处理。
在晶体硅棒按照一定的加热速率均匀升温的过程中，晶体硅棒内部存在局部应力分布不均或其他缺陷的位置，将与晶体硅棒的其他部位产生微小的电阻率和导电性差异，这些差异将导致内部局部温度升高，从而使晶体硅棒自身调节降低局部的应力，减少内部局部应力团聚，消除内部热应力，从而可以降低晶体硅棒硬度及晶体硅棒的加工难度，减少金刚线切割单片用线量，显著降低金刚线切片加工成本。与现有技术中未经过预处理的晶体硅棒相比，按发明中的预处理方法处理过的晶体硅棒的硬度降低了10-20％，晶体硅棒的切割效率提高了10％-40％，采用金刚线切割时，金刚线单片耗线量降低为0.1-0.3米/片。
相对于传统的热场加热晶体硅棒的方法，本实施例采用通电加热的方法，可以保证晶体硅棒受热更加均匀，避免晶体硅棒的表面和内部存在温差，这能够使晶体硅棒内部在长晶过程中形成的热应力得到彻底的消除。通电加热的方式可以提高晶体硅棒的加热速率，硅晶体的加热速率可以达到10-20℃/min，一般在10min-60min内即可将晶体硅棒加热到150℃-600℃，即晶体硅棒需要的温度，提高晶体硅棒的预处理效率。通过控制加载在晶体硅棒两端的电压即可控制晶体硅棒的加热速率，控制方便。
具体而言，在加热晶体硅棒前，可以通过将保温材料包裹在晶体硅棒外，对晶体硅棒进行保温处理，避免外界温度影响晶体硅棒的加热。晶体硅棒的两端可以通过电极与电源连接，以实现对电极通电加热。其中，晶体硅棒的两端是指晶体硅棒上任意对立的两个面。为避免电极污染晶体硅棒，电极可以采用石墨电极或银等扩散系数很小的金属电极，防止电极元素向晶体硅棒内扩散。
为使电极与晶体硅棒良好接触，并减小接触电阻，从而减少电能在电极与晶体硅棒接触位置的消耗，减少能源浪费，电极与晶体硅棒之间可以设置有石墨纸或导电胶等导电介质，连接电极与晶体硅棒。石墨纸和导电胶可以增加电极与晶体硅棒的接触面积，保证电极与晶体硅棒的良好接触。
当电极与晶体硅棒之间填充石墨纸时，可以将石墨纸剪裁为与晶体硅棒的端面大小相同，从而使石墨与晶体硅棒完全接触，降低石墨纸与晶体硅棒之间的接触电阻；还可以对石墨纸的表面进行去除氧化物工艺处理，以保证石墨纸和电极、晶体硅棒形成良好的导电接触，也有利于降低电极和晶体硅棒之间的接触电阻。
为进一步降低电极与晶体硅棒之间的接触电阻，晶体硅棒的两端还可以连接加压装置，通过加压装置控制电极与晶体硅棒之间的接触压力，使得石墨纸或导电胶与晶体硅棒的端面和电极的导线紧密贴合，将电极与晶体硅棒之间的接触电阻控制在一定范围内，以避免能源浪费。具体而言，控制电极与晶体硅棒之间的接触电阻不大于5Ω，例如可以为1Ω、2Ω、3Ω、4Ω、5Ω等，避免电能的浪费，从而降低晶体硅棒预处理的成本。
当将晶体硅棒与电极、电极与电源连接好之后，对晶体硅棒通电以加热晶体硅棒，调整电源的电压，以使晶体硅棒内的电流维持稳定，进而使晶体硅棒匀速加热至指定温度。
为了更好地降低晶体硅棒的硬度并消除晶体硅棒内的应力，晶体硅棒通电加热时，晶体硅棒的电流可以为7A-10A，例如7A、7.5A、8A、8.5A、9A、9.5A、10A等，可以更好的改善晶体硅棒的可切割性。晶体硅棒通电时的具体电流值可以根据晶体硅棒加热的目标温度以及升温速率确定。
晶体硅棒的目标温度可以为150℃-600℃，例如可以为150℃、200℃、250℃、300℃、350℃、400℃、450℃、500℃、550℃、600℃，具体的目标温度可以根据晶体硅棒及后序加工要求选取。
当晶体硅棒加热到目标温度后，可以在22℃-28℃的环境下冷却至常温，以便尽量释放晶体硅棒内部的应力，获得更好的预处理效果。例如，晶体硅棒可以在23℃、23℃、24℃、25℃、26℃、27℃、28℃的环境下冷却至常温。
实施例1
本实施例中，选取边长为157mm的晶体硅棒进行预处理，预处理前通过显微硬度计测试晶体硅棒的硬度为1070HV0.1。之后将晶体硅棒的两端通过石墨电极与直流电源连接，通过加压装置将硅棒和石墨电极紧密贴合，并控制接触电阻降低至4Ω，接通电源，调整电源的电压，以使晶体硅棒内的电流稳定在15A持续加热晶体硅棒，并将晶体硅棒加热至400℃后断电停止加热，将晶体硅棒在自然冷却至常温后进行硬度检测。
表1
硅片参数 硬度(HV0.1) 切割加工时长(h) 单片耗线量(m/pc)
预处理前 1070 2.5 2.1
预处理后 1000 1.5 1.8
如表1所示，检测到预处理后晶体硅棒的硬度为1000HV0.1，硬度降低了6.5％；采用金刚线切割时，晶体硅棒的切割加工时间由常规的2.5h缩短至1.5h，单片耗线量由常规的2.1米/片降低至1.8米/片。
以上内容仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种晶体硅棒的预处理方法，其特征在于，将电源与晶体硅棒连接并通电加热，调整所述电源电压，使所述晶体硅棒内的电流维持稳定，待所述晶体硅棒加热至目标温度后自然冷却至室温。
2.如权利要求1所述的预处理方法，其特征在于，所述晶体硅棒的两端分别与电极的两端连接，所述电极与所述电源连接。
3.如权利要求2所述的预处理方法，其特征在于，所述电极为石墨电极。
4.如权利要求2所述的预处理方法，其特征在于，所述电极与所述晶体硅棒之间设置有石墨纸或导电胶。
5.如权利要求4所述的预处理方法，其特征在于，所述石墨纸的表面经过去除氧化物工艺处理。
6.如权利要求2所述的预处理方法，其特征在于，所述晶体硅棒的两端通过所述电极与所述电源连接后，调整所述电极与所述晶体硅棒之间的接触压力，以控制所述电极与所述晶体硅棒之间的接触电阻。
7.如权利要求6所述的预处理方法，其特征在于，所述电极与所述晶体硅棒之间的接触电阻不大于5Ω。
8.如权利要求1-7中任一项所述的预处理方法，其特征在于，所述目标温度为150℃-600℃。
9.如权利要求1-7中任一项所述的预处理方法，其特征在于，所述晶体硅棒外设置有保温层。
10.如权利要求1-7中任一项所述的预处理方法，其特征在于，所述晶体硅棒通电加热时的电流为10A-30A。
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