CN108032451A - 一种硅棒切割方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种硅棒切割方法，硅棒经过表面氧化处理后切片。该硅棒切割方法中，硅棒在切片前经过表面氧化处理，使得硅棒表面形成一层致密的氧化膜，氧化膜可以修复硅棒表面的缺陷，且氧化膜的硬度较低，能够对硅棒起到保护和缓冲的作用，起到钝化的效果，从而减小表面裂纹的产生和扩展，使得硅棒抗断裂强度提升，切片过程中，金刚线切割的作用力不足以使硅片的边缘产生崩缺、硅落等缺陷，减小制成损耗，降低了硅片崩缺的比例，提高加工的硅片的良率。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能电池技术领域，尤其涉及一种硅棒切割方法。
背景技术
随着能源危机以及雾霾、温室效应等环境问题的日趋严重，能源转型迫在眉睫。由于光伏能源具备清洁无污染，储量大等优势，光伏行业受到各国政府的大力支持，技术上取得了巨大的进步，得到越来越广泛的应用，太阳能成为当今最具发展潜力的新能源之一。
在过去的十年间，随着光伏贸易争端的升级以及行情的波动，光伏产业出现过产能过剩的现象，但市场对光伏清洁能源的需求仍会稳步增加，光伏发电已经进入大规模推广应用的时代。
实现光伏发电的器件是太阳能电池，主要分为晶硅(分为单晶和多晶)、薄膜以及第三代太阳能电池，其中技术最成熟、应用最广泛的就是晶硅太阳能电池，从目前的技术发展趋势来看，晶硅电池在未来10年内仍将保持其主导地位。经过了近十年的持续努力，我国晶硅电池产业取得了飞速的发展。光伏度电成本大幅下降，从2007年的8￥/kWh降低至2016年的0.7￥/kWh，降幅达到了80％以上。光伏发电成本逐步接近平价电力，产业链日趋成熟。目前我国光伏产业的头等目标仍然是脱离财政补贴、实现平价上网，在市场环境下与传统能源火电、水电等相竞争。达成平价上网的目标，是各个光伏企业的奋斗目标和努力方向，因此，唯有不断降低光伏制造的成本，才能使得光伏能源具备竞争性，得到市场的认可。对于晶体硅太阳能电池光伏组件，其硅片成本占总成本25-30％，而硅片的加工成本占到硅片成本的35％左右，硅片加工成本的降低是硅片降低成本的主要方向。
现有技术中，硅片加工技术主要有多线砂浆切割和金刚线切割两种。其中，多线砂浆切割是广泛采用的技术，其加工原理是由切割线的运动将磨料带到切割区域，在切割线的高速运动下，磨料在硅晶体表面滚动、摩擦、嵌入到材料的加工表面，使之产生裂纹和破碎，最终实现材料去除的目的。该技术的关键在于磨料的切割能力以及切割过程中的热力学行为，在实际应用中，选用聚乙二醇和碳化硅配置成悬浮液，通过砂浆管把砂浆罐内的砂浆喷撒到线网上，利用钢线携带砂浆与硅棒相对磨削达到切割的目的，同时，切割中使用过的砂浆通过回流系统再次流回到砂浆罐中，砂浆循环使用直至切割完成。而金刚线切割是将金刚石采用粘接或电镀的方式固定在直钢丝上进行高速往返切割，其优势主要体现在以下方面：(1)切割效率提升明显，大大降低了设备折旧；(2)锯缝损失较少，硅料成本降低；(3)硅片表面粗糙度及表面残留金属杂质含量低，电池效率有0.1-0.2％的提升；(4)环保，使用水性切削液，避免了导致高COD的聚乙二醇的引入。
基于上述切割优势，单多晶先后通过引入金刚线切割技术大幅降低了硅片成本，砂浆切片市场占比快速下降，逐渐退出硅片加工历史舞台。但硅晶体是一种高硬度、高脆性的材料，在金刚线切割过程中，容易出现崩边、硅落和制程损耗等缺陷，占硅片总损失的3％-4％，严重影响硅片的良率以及电池片的生产成本。导致硅片出现上述缺陷的主要原因在于硅棒的表面容易由微小的裂纹或应力集中引起硅片缺口，从而诱发崩边、硅落和碎片。目前，各硅片企业，均把降低硅片崩缺比例，列入重要改善项目，作为降低成本的主要途径之一。
因此，亟需一种降低硅片边缘崩缺的硅棒切割方法。
发明内容
本发明的目的在于提出一种硅棒切割方法，可以降低硅棒切割得到的硅片的崩缺率，提高硅片的质量，有利于降低电池片的生产成本。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种硅棒切割方法，硅棒经过表面氧化处理后切片。
其中，所述硅棒在强氧化性溶液或强氧化性气体内氧化。
其中，所述强氧化性溶液为双氧水或硝酸；所述强氧化性气体为臭氧。
其中，所述双氧水的浓度为1-5％。例如可以为1％、2％、3％、4％、5％。
其中，所述硝酸的浓度为10-15％。例如可以为10％、12％、13％、14％、15％。
其中，所述硅棒在强氧化性溶液内的氧化时间为0.5min-30min，氧化温度为10℃-80℃。例如硅棒的氧化时间可以为0.5min、2.5min、5min、10min、15min、20min、25min、30min；氧化温度可以为10℃、20℃、30℃、40℃、50℃、60℃、70℃、80℃。
其中，所述硅棒在强氧化性气体内的氧化时间为10min-60min，氧化温度为10℃-200℃。例如硅棒的氧化时间可以为10min、20min、30min、40min、50min、60min；氧化温度可以为10℃、30℃、50℃、70℃、90℃、110℃、130℃、150℃、170℃、190℃、200℃。
其中，所述硅棒在空气或氧气内高温氧化。
其中，当硅棒在空气或氧气内高温氧化时，硅棒的氧化时间为0.01min-60min，氧化温度为600℃-1400℃。例如硅棒的氧化时间可以为0.01min、10min、20min、30min、40min、50min、60min；氧化温度可以为600℃、680℃、760℃、840℃、920℃、1000℃、1080℃、1160℃、1240℃、1320℃、1400℃。
其中，所述硅棒进行表面氧化处理前进行表面粗糙度分选，表面粗糙度小于指定粗糙度的硅棒进行表面氧化处理，大于指定粗糙度的硅棒经过研磨处理后进行表面粗糙度分选。
其中，所述指定粗糙度为0.05μm。
有益效果：本发明提供了的硅棒切割方法，硅棒在切片前经过表面氧化处理，使得硅棒表面形成一层致密的氧化膜，氧化膜可以修复硅棒表面的缺陷，且氧化膜的硬度较低，能够对硅棒起到保护和缓冲的作用，起到钝化的效果，从而减小表面裂纹的产生和扩展，使得硅棒抗断裂强度提升，切片过程中，金刚线切割的作用力不足以使硅片的边缘产生崩缺、硅落等缺陷，减小制程损耗，降低了硅片崩缺的比例，提高加工的硅片的良率。
附图说明
图1是本发明提供的硅棒切割方法的流程图；
图2是本发明提供的硅棒表面粗糙度分选的流程图。
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。
实施例1
如图1所示，本实施例提供了一种硅棒切割方法，硅棒经过表面氧化处理后切片。硅棒在切片前经过表面氧化处理，使得硅棒表面形成一层致密的氧化膜，氧化膜可以修复硅棒表面的缺陷，且氧化膜的硬度较低，能够对硅棒起到保护和缓冲的作用，起到钝化的效果，从而减小表面裂纹的产生和扩展，使得硅棒抗断裂强度提升，切片过程中，金刚线切割的作用力不足以使硅片的边缘产生崩缺、硅落等缺陷，减小制程损耗，降低了硅片崩缺的比例，提高加工的硅片的良率。
硅棒的表面氧化可以是硅棒在强氧化性溶液或强氧化性气体内氧化，也可以是硅棒在空气或氧气中进行高温氧化。其中，强氧化性溶液可以为双氧水或硝酸；强氧化性气体可以为臭氧。
当硅棒放置在强氧化性溶液内氧化时，硅棒的氧化时间为0.5min-30min，氧化温度为10℃-80℃。当强氧化性溶液为双氧水时，双氧水的浓度为1-5％。例如可以为1％、2％、3％、4％、5％，双氧水的浓度优选为3％；当强氧化性溶液为硝酸时，硝酸的浓度为10-15％。例如可以为10％、12％、13％、14％、15％，硝酸的浓度优选为12％。
具体的，硅棒的氧化时间可以为0.5min、2.5min、3min、5min、10min、15min、20min、25min、30min，优选的氧化时间为3min；氧化温度可以为10℃、20℃、30℃、40℃、50℃、60℃、70℃、80℃，氧化温度优选为40℃。该条件下，可以使硅棒的表面形成一层致密的氧化膜，修复硅棒表面缺陷，在切片时保护硅棒，避免硅片出现崩缺、硅落等缺陷。
经研究发现，硅片边缘崩缺的另一个主要因素为硅棒表面粗糙度，硅棒表面粗糙度较大会加重硅棒表面的应力集中，使得表面微裂纹更易扩展，造成硅片边缘崩缺比例增加，表面粗糙度低且处理过程热应力较均匀的硅棒加工硅片崩缺率较低。因此，本实施例中，如图1和图2所示，硅棒在进行表面氧化处理前还需要进行表面粗糙度分选，表面粗糙度大于指定粗糙度的硅棒为不合格硅棒，需要进行研磨减小表面粗糙度，使其表面粗糙度合格后在进行表面氧化处理，防止表面粗糙度不合格的硅棒进入切片工序，降低硅棒加工的硅片崩缺缺陷率。
具体的，指定粗糙度可以为0.05μm，切割的硅棒一般为长方体，在分选硅棒时，可以使用粗糙度测试仪测试硅棒四个侧面的粗糙度，例如使用便携式表面粗糙度测试仪在硅棒侧面区域内每2cm选取一个测试点进行测试，将四个侧面的粗糙度均小于指定粗糙度的硅棒分为合格硅棒，不符合要求的硅棒为待磨面硅棒，待磨面硅棒进行表面研磨，经测试符合分选标准的合格硅棒可以进入表面氧化处理工序。
经过表面粗糙度分选，可以避免表面粗糙度较大的硅棒进入切片工序，从而提高进行切片的硅棒的质量，降低加工的硅片的崩缺率，有利于提高硅片的质量，降低电池片的生产成本。
硅棒经过表面氧化后即可进行切片，在切片之前，可以将两根或两根以上的270-320mm的硅棒通过粘棒胶拼接成较长的硅棒，之后将硅棒固定在切割位置，本实施例中以硅棒采用金刚线切割为例进行介绍。
多根长硅棒可以通过环氧树脂胶或丙烯酸树脂胶粘接在树脂板上，其中树脂板已提前粘接在工件板上，工件板固定在金刚线切割机的基座上，使得多根硅棒平行设置形成硅棒组。
硅棒组固定完成后，可以将切割用的金刚线从金刚线切割机的放线室的放线轮上引出，通过小导轮将金刚线布置在主辊上对应的线槽内。由于切割时的长度较长的硅棒是由多个长度较短的硅棒粘接而成，在切割时，如果金刚线的切割位置为多个硅棒的拼接位置，会导致金刚线在切割过程中会出现空切，即金刚线位于拼接的缝隙处，未与硅棒接触，金刚线空切很容易导致金刚线崩断，影响硅棒的切割效率。为解决上述问题，当主辊金刚线布置到一半时，进行分线网作业，预留与硅棒之间的拼缝个数相同的线网缝隙；待金钢线布满整个主辊后，将金刚线的线头引出至金刚线切割机的收线室的收线轮，完成线网的布线工作；之后根据硅棒之间的拼接的位置，调整线网缝隙的位置，保证金刚线在切割的过程中，能够始终与硅棒接触，避免金刚线出现空切的现象，从而避免金刚线崩断。
金刚线布置完成后，打开金刚线切割机的冷却液供应系统，使冷却液以6000-9000立方/小时的流量供出，冷却液的温度可以设置为19℃-21℃，本实施例中，冷却液的流量优选为8500立方/小时、冷却液温度优选为20℃。通过设置在放线轮和收线轮处的张力调整机构调整金刚线的张力，使得金刚线的张力为10.5N-12N，例如可以为10.5N、11N、11.5N、12N，金刚线的张力优选为12N。该张力范围满足金刚线的切割要求，且能够避免金刚线崩断。之后启动金刚线切割机，使得金刚线在收线轮和放线轮轮之间移动，此时金刚线不与硅棒接触，即金刚线切割机空转热机，以检测金刚线切割机是否存在故障隐患。热机结束后，基座以0.2-3.2mm/min向金刚线运动，金刚线以25-30m/s的速度转动，实现双向切割。具体的，基座的运动速度可以为0.2mm/min、0.8mm/min、1.4mm/min、2mm/min、2.5mm/min、2.6mm/min、3.2mm/min；金刚线的线速可以为25m/s、26m/s、27m/s、28m/s、29m/s、30m/s；本实施例中，基座的运动速度优选为2.5mm/min，金刚线的线速度优选为28m/s。
切割完成后，停机、取下硅棒组，对切割形成的硅片进行机械能脱胶、清洗和分选，完成硅棒的切割。
表1
如表1所示，对比组为采用现有技术中的切割方法对硅棒进行切割的各项参数，实验硅棒为按本实施例中的切割方法，硅棒在双氧水中经过表面氧化处理后进行切片得到的各项数据。
经对比可以得知，采用本实施例提供的硅棒切割方法后，加工的硅片的良率提升了1.47％，A片占硅片总片数的比例提高了3.16％，其中A片是指无缺陷的硅片片，也称之为正片，即硅片的外观均匀一致，无残破、缺角等现象。线痕合计减少了1.55％；TTV(TotalThinkness Varation，总厚度变化)减小了0.99％，硅片的制程损耗减小了0.64％，提高了硅片的生产质量，减少了硅片的生产成本。
实施例2
本实施例提供了一种硅棒切割方法，其与实施例1中的硅棒切割方法大致相同，与实施例1不同的是，本实施例中，硅棒在强氧化性气体内氧化。
具体的，硅棒5也可以放置在臭氧等强氧化性气体内氧化。当硅棒5在臭氧内氧化时，臭氧的浓度可以为1.2-1.5mg/L，例如可以为1.2mg/L、1.3mg/L、1.4mg/L、1.5mg/L，其中，本实施例中臭氧的浓度优选为1.5mg/L。硅棒5的氧化时间为10min-60min，氧化温度为10℃-200℃。具体的，硅棒5的氧化时间可以为10min、15min、20min、30min、40min、50min、60min，氧化时间优选为15min；氧化温度可以为10℃、30℃、50℃、70℃、90℃、110℃、130℃、150℃、170℃、190℃、200℃，氧化温度优选为30℃。在该条件下，硅棒5在强氧化性气体内也可以形成一层致密的氧化膜。
硅棒在切片前在臭氧中进行表面氧化处理，使得硅棒表面形成一层致密的氧化膜，氧化膜可以修复硅棒表面的缺陷，且氧化膜的硬度较低，能够对硅棒起到保护和缓冲的作用，起到钝化的效果，从而减小表面裂纹的产生和扩展，使得硅棒抗断裂强度提升，切片过程中，金刚线切割的作用力不足以使硅片的边缘产生崩缺、硅落等缺陷，减小制成损耗，降低了硅片崩缺的比例，提高加工的硅片的良率。
实施例3
本实施例提供了一种硅棒切割方法，其与实施例1中的硅棒切割方法大致相同，与实施例1和实施例2不同的是，本实施例中，硅棒在空气或氧气内高温氧化。
硅棒5可以放置在空气或氧气内进行高温氧化，较高的反应温度可以弥补空气或氧气的氧化性，当硅棒5在空气或氧气内高温氧化时，硅棒5的氧化时间为0.01min-60min，氧化温度为600℃-1400℃。具体的，硅棒5的氧化时间可以为0.01min、10min、20min、30min、40min、50min、60min，氧化时间优选为30min；氧化温度可以为600℃、680℃、760℃、840℃、920℃、1000℃、1080℃、1160℃、1240℃、1320℃、1400℃，氧化温度优选为840℃。
硅棒在切片前在空气或氧气中进行高温表面氧化处理，使得硅棒表面形成一层致密的氧化膜，氧化膜可以修复硅棒表面的缺陷，且氧化膜的硬度较低，能够对硅棒起到保护和缓冲的作用，起到钝化的效果，从而减小表面裂纹的产生和扩展，使得硅棒抗断裂强度提升，切片过程中，金刚线切割的作用力不足以使硅片的边缘产生崩缺、硅落等缺陷，减小制成损耗，降低了硅片崩缺的比例，提高加工的硅片的良率。
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)
1.一种硅棒切割方法，其特征在于，硅棒经过表面氧化处理后切片。
2.如权利要求1所述的硅棒切割方法，其特征在于，所述硅棒在强氧化性溶液或强氧化性气体内氧化。
3.如权利要求2所述的硅棒切割方法，其特征在于，所述强氧化性溶液为双氧水或硝酸；所述强氧化性气体为臭氧。
4.如权利要求3所述的硅棒切割方法，其特征在于，所述双氧水的浓度为1-5％，所述硝酸的浓度为10-15％。
5.如权利要求3所述的硅棒切割方法，其特征在于，所述臭氧的浓度为1.2-1.5mg/L。
6.如权利要求2所述的硅棒切割方法，其特征在于，所述硅棒在强氧化性溶液内的氧化时间为0.5min-30min，氧化温度为10℃-80℃。
7.如权利要求2所述的硅棒切割方法，其特征在于，所述硅棒在强氧化性气体内的氧化时间为10min-60min，氧化温度为10℃-200℃。
8.如权利要求1所述的硅棒切割方法，其特征在于，所述硅棒在空气或氧气内高温氧化。
9.如权利要求1-8中任一项所述的硅棒切割方法，其特征在于，所述硅棒进行表面氧化处理前进行表面粗糙度分选，表面粗糙度小于指定粗糙度的硅棒进行表面氧化处理，大于指定粗糙度的硅棒经过研磨处理后再次进行表面粗糙度分选。
10.如权利要求9所述的硅棒切割方法，其特征在于，所述指定粗糙度为0.05μm。
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