CN113601738A - 一种用原生单晶硅棒加工矩形光伏电池硅片的加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用原生单晶硅棒加工矩形光伏电池硅片的加工方法，第一步：在原生单晶硅棒的横截平面上确定由四条井字形直线和四条边缘直线形成的八条纵切线；第二步：纵向切原生单晶硅棒，得矩体硅锭；第三步：拼接矩体硅锭得拼接硅锭；第四步：用多平面切割拼接硅锭得单晶硅光伏电池之硅片。该加工方法较现有技术有利于使用大直径单晶硅棒、有利于改善硅片中所掺杂杂质的分布的均匀对称性、有利于提高工作生产效率，降低头尾切片损耗；在切片过程中，有利于排出切削硅粉、改善切削环境、提高生产效率、提高产品质量。
Description
技术领域
本发明涉及单晶硅光伏电池技术领域，具体涉及一种用原生单晶硅棒加工矩形光伏电池硅片的加工方法。
背景技术
用单晶硅制作的光伏电池，具有制作工艺成熟、质量稳定、光电转换效率高的优点。因此，目前产业化的高效硅光伏电池多数都是以单晶硅片为基本材料。
为了提高光伏组件的封装效率，希望单晶硅片具有标准、无缺角的矩形形状，为了提高生产效率、降低成本，趋向于使用更大面积的单晶硅片、拉制更大直径的单晶硅晶体。
背景技术，发明CN 108068221 B公开了一种用柱状晶体硅棒加工矩形光伏电池硅片的加工方法，可以加工具有标准、无缺角的矩形硅片，提高晶体硅棒的利用率，达到提高生产效率、降低成本的目的，该发明包括以下步骤：
“步骤一、对柱状晶体硅棒加工出柱面，得到晶体硅棒柱面；
步骤二、根据矩形硅片所需的长度截断所述晶体硅棒，以确定矩形硅片的外形轮廓尺寸，并确定所切矩形硅片一组对边的标准化长度；
步骤三、纵向分块，得到一系列长度相同、但宽度不等的硅块；
步骤四、不规则边、角的处理：按设计的尺寸加工硅块的不规则边、角至符合要求，得到处理后的硅块；
步骤五、将步骤四所得的硅块分组完成倒角切片，得到矩形硅片。其中，所述步骤五中切片的方向与所述晶体硅棒的轴线相平行。”
然而，发明CN 108068221 B公开的单晶硅片加工方法，仍然存在如下不足：
首先，发明CN 108068221 B公开的单晶硅片加工方法，“步骤五中切片的方向与所述晶体硅棒的轴线相平行”，这就意味着在一片硅片中包含有不同时间生长的单晶硅晶体。众所周知，在单晶硅棒生长过程中，单晶硅棒是沿轴向、顺序生长的，由于杂质分凝现象的影响，导致硅棒存在纵向杂质的浓度的梯度分布，因此纵向切片所得硅片的表面不同区域间的杂质浓度存在差别，间接影响光伏电池片性能的的区域一致性。
第二，由于发明CN 108068221 B硅棒截断的长度取决于硅片的对边尺寸，硅片的对边尺寸小，因此单晶硅棒长度较短，切片时接头多，首片和末片的损耗就多，加工步骤较多，辅助工时就多，从而影响切片的出片率和生产效率。
第三，发明CN 108068221 B在纵切前需要加工单晶硅棒的柱面，将本可直接回收的部分单晶硅变成了切屑硅粉排出，浪费了材料、增加了排放、同时也增加了加工时间。
发明内容
为了在保持现有技术单晶棒利用率较高的前提下，解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种用原生单晶硅棒加工标准矩形光伏电池硅片的加工方法，该方法能够更容易控制每片硅光伏电池的区域特性的一致性，并且具有切片损耗小、加工效率高的优点。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种用原生单晶硅棒加工矩形光伏电池硅片的加工方法，包括以下步骤：
步骤（1）、确定纵切线：
在原生单晶硅棒的横截平面上作出四条直线，四条直线呈井字形排列，井字形直线中任意两条平行直线的间距为所需矩形硅片的长边或短边尺寸，井字形直线所围成的矩形为中心矩形；
在原生单晶硅棒的横截平面上位于所述中心矩形的外部作四条边缘直线，每条边缘直线与中心矩形中的相邻矩形边平行，且每条边缘直线与中心矩形中相邻矩形边的距离等于所需矩形硅片的宽度；
四条边缘直线与井字形直线围成四个边缘矩形，四个边缘矩形以所述中心矩形中心对称布置；
四条井字形直线和四条边缘直线形成原生单晶硅棒的八条纵切线；
步骤（2）、纵切：
以步骤（1）中确定的八条纵切线为切削线，沿单晶硅棒的轴向z进给分切单晶硅棒，得到五条矩体硅锭；经纵切所得五条矩体硅锭已同时去掉原生单晶硅棒原始的外表面；
步骤（3）、拼接：
将至少一条所述矩体硅锭放置在底托之上，当矩体硅锭的数量为两条及以上时，多个矩体硅锭按径向并列，排列并粘接在底托之上，形成拼接硅锭；
步骤（4）、切片：
将拼接硅锭安放于切片工作台，使矩体硅锭间的拼接面与水平面的夹角为90°±10º，以切面垂直于所述矩体硅锭轴线的方向进行多平面切割所述拼接硅锭，得到所需厚度的矩形光伏电池硅片。
所述中心矩形的对称中心与原生单晶硅棒横截平面的外切圆或内接圆的中心偏差不大于单晶硅棒横截平面内接圆直径的5%。
拼接硅锭时，将矩体硅锭窄边粘接于底托。
所述拼接硅锭的矩体硅锭间的拼接相对面间通过粘合剂粘接。
所述拼接硅锭为两块及两块以上矩体硅锭通过除底托以外的第二材料经粘合剂粘接拼接而成，所述第二材料用于增加切削硅片的整体性、刚性以及消除共振。
所述第二材料选用与底托相同的聚合物材料，包括石墨、玻璃或高分子材料。
所述矩体硅锭间的拼缝留有气隙通道，气隙通道的宽度为0.1mm~50mm。
有益效果：
第一．本发明因为同一片硅片的单晶硅是单晶硅生长过程中在同一时间形成的，受杂质分凝现象的影响小，因此在一片硅片上具有更为一致的杂质浓度，这样就更容易控制每片硅光伏电池的区域特性的一致性；
第二．由于拼接硅锭的长度足够长，硅锭轴向没有接头或接头较少，减少了切片时首片和末片的损耗；切割系统的调整简单，损耗小、省工省力，生产效率高；
第三．现有技术在纵切前，需要加工单晶硅棒的柱面，将本可直接回收的单晶硅变成了切屑硅粉排出，同时增加了加工时间。本发明在沿八条纵切线的切割的同时，将不规则的原生单晶棒表面切除，不再需要单独加工硅棒的柱面，克服了这一缺点。
第四．本发明通过拼接硅锭、且在矩体硅锭间留有气隙通道的方法，使得切削硅粉及时排出和冷却润滑液的供给更有效。因此，在切削刃具、切削截面积不变时，可以提高切削进给速度；在切削进给速度不变时，可以增加切削面积；在切削生产率不变的前提下，可以采用更高密度、更小粒度的切削刃，得到更窄的切缝、更低的切削表面粗糙度和更高的加工质量。
附图说明
图1是本发明一种用原生单晶硅棒加工矩形光伏电池硅片的加工方法的纵切线结构示意图；
图2是本发明一种用原生单晶硅棒加工矩形光伏电池硅片的加工方法的矩体硅锭的纵切示意图；
图3是本发明拼接硅锭示意图之一，经粘合剂粘接拼接的拼接硅锭，矩体硅锭间粘接不留气隙通道；
图4是本发明拼接硅锭示意图之二，经粘合剂粘接拼接的拼接硅锭，矩体硅锭间粘接留有气隙通道；
图5是本发明拼接硅锭示意图之三，通过第二材料经粘合剂粘接拼接的拼接硅锭；
图6是本发明一种用原生单晶硅棒加工矩形光伏电池硅片的加工方法的切片示意图。
附图标记：
原生单晶硅棒1；
井字形直线4；
中心矩形5；
边缘直线6；
分割线7；
边缘矩形8；
矩体硅锭9；
胶粘剂10；
底托11；
拼接硅锭12；
进给方向13；
切削方向14；
切割平面15；
分割矩形16；
第二材料17；
气隙通道18；
切削线19；
金刚砂20；
切屑硅粉21；
未完成的硅片22；
冷却液喷头23。
具体实施方式
为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
一种用原生单晶硅棒加工矩形光伏电池硅片的加工方法，包括以下步骤：
步骤（1）、确定纵切线，作为下一步纵切的依据：
参见附图1：
在原生单晶硅棒的横截平面作四条两两垂直或平行的直线，四条线在所述平面的排列呈井字形，称为井字形直线，任两条平行的井字形直线间的间距为所需矩形硅片的长边或短边尺寸，井字形直线的中心围成中心矩形，中心矩形的对称中心与原生单晶硅棒的轴线大体重合；之所以是大体重合，原因在于原生单晶硅棒的圆柱形外形和横截面直径存在起伏和波动，并非理想的圆柱体；
在井字形直线的外缘作四条与井字形直线同平面平行的边缘直线，使每条边缘直线与相邻平行井字形直线的距离等于所需矩形硅片的宽度，由所述边缘直线和井字形直线围成四个边缘矩形，使所述中心矩形和所述边缘矩形均处于所述原生单晶硅棒的横截平面之内，且使所述中心矩形和边缘矩形的总面积占所述原生单晶硅棒的横截平面面积之比达到最大；
所述四条井字形直线和四条边缘直线形成原生单晶硅棒的八条纵切线；
步骤（2）、纵切：以所述纵切线为切削线，沿单晶硅棒的轴向z进给，分切单晶硅棒，得到5条所需矩体硅锭；分别是以四个边缘矩形为端面的4条矩体硅锭和以中心矩形为端面的1条矩体硅锭，在本步骤中，原生单晶硅棒圆柱面的起伏和不规则表面均得到切除，得到的是具有加工表面的矩体硅锭；
步骤（3）、拼接：将一条及一条以上的所述矩体硅锭，按径向并列，排列并粘接在底托之上，形成拼接硅锭；
步骤（4）、切片：将拼接硅锭安放于切片工作台，使矩体硅锭间的拼接相对面与水平面的夹角为90°±10º。切割刃具进给切片，切割面与所述矩体硅锭轴线的方向呈90°±5º夹角，得到确定厚度δ的矩形光伏电池硅片。
可选地，所述拼接硅锭是指两块或两块以上矩体硅锭通过粘合剂粘接拼接而成。
可选地，所述拼接硅锭指两块及两块以上矩体硅锭通过除底托以外的第二材料经粘合剂粘接拼接而成。引入第二材料的目的是增加切削硅片的整体性和刚性，消除共振。
可选地，拼接硅锭的拼接方位，将矩体硅锭窄边粘接于底托。在此，所述拼接硅锭包括底托。
进一步地，所述矩体硅锭间的拼缝留有气隙通道，气隙通道的宽度0.1mm~50mm。留有气隙通道的目的是改善切削润滑条件、方便切屑硅粉的排出。
所述进给方向指，将切削刃具系统视为一个整体，切削刃具系统相对于被加工件拼接硅锭的运动方向；所述切削方向指，切削刃上切割颗粒相对拼接硅锭的运动方向。
实施例1：
参考附图1、附图2、附图3，一种用原生单晶硅棒加工矩形光伏电池硅片的加工方法，以加工162mm×54mm的矩形硅片为例，未考虑加工偏差和余量，包括以下步骤：
准备材料：
截去原生单晶硅棒1的肩头和收尾，并按切片设备最大加工长度截断原生单晶硅棒1；
步骤（1）、确定纵切线：
参见附图1、附图2，在原生单晶硅棒1的横截平面作四条直线，四条直线在所述平面的排列呈井字形，称为井字形直线4，任两条平行的井字形直线4间的间距为162mm，井字形直线4所围成的中心矩形5为162mm×162mm的正方形，其对称中心与原生单晶硅棒1的轴线偏心距离≤10mm；
在井字形直线4的外缘作与井字形直线4平行的边缘直线6，使每条边缘直线6与相邻平行井字形直线4的距离等于矩形硅片的宽度54mm，由所述边缘直线6和井字形直线4围成四个162mm×54mm的边缘矩形8；
所述原生单晶棒的标称直径≥315mm，以保证所述的一个中心矩形5和四个边缘矩形8均处于原生单晶硅棒1的横截平面中为度；
在中心矩形5内增添两条均布、且与井字形直线4平行的的分割线7，图1所示为一条，形成三个162mm×54mm的分割矩形16，图1所示为两个；
所述四条井字形直线4和四条边缘直线6形成原生单晶硅棒1的八条纵切线；
步骤（2）、参见附图2，纵切：以井字形直线4和边缘直线6为切削线，沿原生单晶硅棒1的轴向z进给分切原生单晶硅棒1，得所需矩体硅锭9；
去除分割线7两端的2个边缘矩形8切割得到的两条矩体硅锭9，再以分割线7为切割线，纵向进给分切162mm×162mm×L的矩体硅锭，得到三条（图中未示出）162mm×54mm×L的矩体硅锭9；
步骤（3）、拼接：参见附图3，将三条162mm×54mm×L的矩体硅锭9，按径向并列，排列并借助胶粘剂10粘接在底托11之上，形成拼接硅锭12，矩体硅锭9粘接界面间不留气隙通道；
步骤（4）、切片：参见附图3，将拼接硅锭12安放于切片工作台，使矩体硅锭9间的拼接相对面与水平面的夹角为90°±10º。以图示进给方向13、切削方向14自上而下垂直（90°±5º）于矩体硅锭9的轴线的方向，且垂直（90°±5º）于底托上平面的方向进给切片，形成切割平面15，得到所需162mm×54mm×δ的矩形光伏电池硅片。
实施例2：
参考附图1、附图2、附图4，一种用原生单晶硅棒加工矩形光伏电池硅片的加工方法，以同时加工210mm×105mm和210mm×210mm两种常用矩形硅片为例，未考虑加工偏差和余量，包括以下步骤：
准备材料：
截去原生单晶硅棒1的肩头和收尾，并按切片设备最大加工长度截断原生单晶硅棒1；
步骤（1）、确定纵切线：
参见附图1、附图2，在原生单晶硅棒1的横截平面作四条井字形直线4，任两条平行的井字形直线4间的间距为210mm，井字形直线4所围成的中心矩形5为210mm×210mm的正方形，其对称中心与原生单晶硅棒1的轴线大体重合，误差≤20mm；
在井字形直线4的外缘作与井字形直线4平行的边缘直线6，使每条边缘直线6与相邻井字形直线4的距离等于矩形硅片的宽度105mm，由所述边缘直线6和井字形直线4围成四个210mm×105mm的边缘矩形8；
所述原生单晶棒的标称直径≥475mm，以保证所述的一个中心矩形5和四个边缘矩形8均处于原生单晶硅棒1的横截平面中为度；
所述四条井字形直线4和四条边缘直线6形成原生单晶硅棒的八条纵切线；
步骤（2）、参见附图2，纵切：以井字形直线4和边缘直线6为切削线，沿原生单晶硅棒1的轴向z进给分切原生单晶硅棒1，得一条210mm×210mm×L、四条210mm×105mm×L两种规格的矩体硅锭9；
步骤（3）、拼接：参见附图4，将两条210mm×105mm×L的矩体硅锭9，按径向并列，排列并借助胶粘剂10粘接在底托11之上，形成拼接硅锭12，矩体硅锭9粘接界面间条状施胶留气隙通道18，宽20mm。留有气隙通道的目的是改善切削润滑条件、方便切屑硅粉的排出；
步骤（4）、切片：参见附图4，将拼接硅锭12安放于切片工作台，使矩体硅锭9间的拼接相对面与水平面的夹角为90°±10º。以图示进给方向13，切削方向14自上而下垂直（90°±5º）于矩体硅锭9的轴线的方向，且垂直（90°±5º）于底托上平面的方向进给切片，形成切割平面15，得到所需210mm×105mm×δ矩形光伏电池硅片，切210mm×210mm×L的矩体硅锭9得210mm×210mm×δ的硅片。
实施例3：
参考附图1、附图2、附图5，一种用原生单晶硅棒加工矩形光伏电池硅片的加工方法，以加工210mm×70mm硅片为例，未考虑加工偏差和余量，包括以下步骤：
准备材料：
截去原生单晶硅棒1的肩头和收尾，并按切片设备最大加工长度截断原生单晶硅棒1；
步骤（1）、确定纵切线：
参见附图1、附图2，在原生单晶硅棒1的横截平面作四条井字形直线4，任两条平行的井字形直线4间的间距为210mm，井字形直线4所围成的中心矩形5为210mm×210mm的正方形，其对称中心与原生单晶硅棒1的轴线大体重合，误差≤20mm；
在井字形直线4的外缘作与井字形直线4平行的边缘直线6，使每条边缘直线6与相邻井字形直线4的距离等于矩形硅片的宽度70mm，由所述边缘直线6和井字形直线4围成四个210mm×70mm的边缘矩形8；
所述原生单晶棒的标称直径≥408mm，以保证所述的一个中心矩形5和四个边缘矩形8均处于原生单晶硅棒1的横截平面中为度；
在中心矩形5内增添两条均布且与井字形直线4平行的的分割线7（图1所示为一条），形成三个（图1所示为两个）210mm×70mm的分割矩形16；
所述四条井字形直线4、四条边缘直线6，形成原生单晶硅棒1的八条纵切线；
步骤（2）、参见附图2，纵切：以井字形直线4和边缘直线6为切削线，沿原生单晶硅棒1的轴向z进给，分切原生单晶硅棒1，得210mm×70mm×L、210mm×210mm×L两种规格的矩体硅锭9；
去除分割线7两端的2个边缘矩形8,切割得到的两条矩体硅锭9，再以分割线7为切割线，纵向进给分切210mm×210mm×L的矩体硅锭，得到三条（图中未示出）210mm×70mm×L的矩体硅锭9；
步骤（3）、拼接：参见附图5，将三条210mm×70mm×L的矩体硅锭9，按径向并列排列并借助胶粘剂10粘接在底托11之上，如附图5所示，与第二材料17一起形成拼接硅锭12，矩体硅锭9间无胶粘剂，留气隙通道18，宽20mm。留有气隙通道的目的是改善切削润滑条件、方便切屑硅粉的排出；所述第二材料选用与底托相同的聚合物材料，如石墨、玻璃或高分子材料。
步骤（4）、切片：参见附图5，将拼接硅锭12安放于切片工作台，使矩体硅锭9间的拼接相对面与水平面的夹角为90°±10º。以图示进给方向13，切削方向14自上而下垂直（90°±5º）于矩体硅锭9的轴线的方向进给切片，形成切割平面15，得到所需210mm×70mm×δ矩形光伏电池硅片。
实施例4：
参考附图5、附图6，一种用原生单晶硅棒加工矩形光伏电池硅片的加工方法，以加工210mm×70mm硅片为例，将附图5所示拼接硅锭12反向吊装于切片设备上部的切片工作台（未示出），底托11处于上方、第二材料11处于下方，使用金刚线19以图示进给方向13，切削方向14自下而上垂直（90°±5º）于矩体硅锭9的轴线的方向进给切片，金刚线19上镶嵌的金刚砂20形成的切削刃切削拼接硅锭12，部分切屑硅粉21积存于金刚砂20的间隙之中，使金刚砂“钝化”、同时降低冷却液的润滑冷却效果，降低切割效率。
本发明因为在拼接硅锭12中间设有气隙通道18，在与气隙通道18相对的位置设置有冷却液喷头23，借助于气隙通道18和冷却液喷头23，将金刚线19上附着的切屑硅粉21冲落，恢复冷却的有效性和金刚线19的锋利性。图中，标号22是未完成的硅片。
Claims (7)
1.一种用原生单晶硅棒加工矩形光伏电池硅片的加工方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤（1）、确定纵切线：
在原生单晶硅棒的横截平面上作出四条直线，四条直线呈井字形排列，井字形直线中任意两条平行直线的间距为所需矩形硅片的长边或短边尺寸，井字形直线所围成的矩形为中心矩形；
在原生单晶硅棒的横截平面上位于所述中心矩形的外部作四条边缘直线，每条边缘直线与中心矩形中的相邻矩形边平行，且每条边缘直线与中心矩形中相邻矩形边的距离等于所需矩形硅片的宽度；
四条边缘直线与井字形直线围成四个边缘矩形，四个边缘矩形以所述中心矩形中心对称布置；
四条井字形直线和四条边缘直线形成原生单晶硅棒的八条纵切线；
步骤（2）、纵切：
以步骤（1）中确定的八条纵切线为切削线，沿单晶硅棒的轴向z进给分切单晶硅棒，得到五条矩体硅锭；经纵切所得五条矩体硅锭已同时去掉原生单晶硅棒原始的外表面；
步骤（3）、拼接：
将至少一条所述矩体硅锭放置在底托之上，当矩体硅锭的数量为两条及以上时，多个矩体硅锭按径向并列，排列并粘接在底托之上，形成拼接硅锭；
步骤（4）、切片：
将拼接硅锭安放于切片工作台，使矩体硅锭间的拼接面与水平面的夹角为90°±10º，以切面垂直于所述矩体硅锭轴线的方向进行多平面切割所述拼接硅锭，得到所需厚度的矩形光伏电池硅片。
2.根据权利要求1所述的用原生单晶硅棒加工矩形光伏电池硅片的加工方法，其特征在于：所述中心矩形的对称中心与原生单晶硅棒横截平面的外切圆或内接圆的中心偏差不大于单晶硅棒横截平面内接圆直径的5%。
3.根据权利要求1所述的用原生单晶硅棒加工矩形光伏电池硅片的加工方法，其特征在于：拼接硅锭时，将矩体硅锭窄边粘接于底托。
4.根据权利要求1所述的用原生单晶硅棒加工矩形光伏电池硅片的加工方法，其特征在于：所述拼接硅锭的矩体硅锭间的拼接相对面间通过粘合剂粘接。
5.根据权利要求1所述的用原生单晶硅棒加工矩形光伏电池硅片的加工方法，其特征在于：所述拼接硅锭为两块及两块以上矩体硅锭通过除底托以外的第二材料经粘合剂粘接拼接而成，所述第二材料用于增加切削硅片的整体性、刚性以及消除共振。
6.根据权利要求5所述的用原生单晶硅棒加工矩形光伏电池硅片的加工方法，其特征在于：所述第二材料选用与底托相同的聚合物材料，包括石墨、玻璃或高分子材料。
7.根据权利要求1所述的一种用原生单晶硅棒加工矩形光伏电池硅片的加工方法，其特征在于：所述矩体硅锭间的拼缝留有气隙通道，气隙通道的宽度为0.1mm~50mm。
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