點(diǎn)雜多晶太陽能硅片電解磨削多線切割試驗(yàn)研究

章　愷，汪　煒，鮑官培，趙明才（南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇南京210016）

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點(diǎn)雜多晶太陽能硅片電解磨削多線切割試驗(yàn)研究

章愷，汪煒，鮑官培，趙明才
（南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇南京210016）

摘要：提出了一種電解磨削多線切割點(diǎn)雜多晶太陽能硅片的新方法。電源的正極接硅錠，負(fù)極接切割線網(wǎng)，電解過程中硅錠發(fā)生微區(qū)鈍化反應(yīng)，形成硬度較小的鈍化膜，使點(diǎn)雜多晶太陽能硅片更易切割。試驗(yàn)結(jié)果表明：該技術(shù)具有切割效率高、切片合格率高等優(yōu)點(diǎn)。進(jìn)一步檢測發(fā)現(xiàn)，硅片宏觀表面線痕淺、隱裂少，微觀表面平整性好。該技術(shù)的應(yīng)用降低了硅片加工的成本，提高了硅材料的利用率，也為太陽能電池的運(yùn)用拓寬了空間。

關(guān)鍵詞：電解磨削；多線切割；點(diǎn)雜多晶；太陽能硅片

多晶硅作為太陽能電池切片的主要材料，來源相對于單晶硅更廣泛，成本比單晶硅更低。在多晶硅的鑄錠過程中，存在石墨坩堝氮化硅涂層粘結(jié)不牢的現(xiàn)象。由于熱對流作用會有雜質(zhì)進(jìn)入硅液產(chǎn)生硬質(zhì)點(diǎn)，且鑄錠多晶硅回料處理得不干凈也會出現(xiàn)硬質(zhì)點(diǎn)，硬質(zhì)點(diǎn)的成分多以SiC為主［1］，它們會隨機(jī)分布在一次鑄造完成的全部硅錠內(nèi)，這使得硅錠開方后在切割成硅片時，當(dāng)切到點(diǎn)雜位置時產(chǎn)生跳線、切片上有明顯的線痕、點(diǎn)雜的位置切不動而引起的斷線等現(xiàn)象，從而導(dǎo)致整體硅片質(zhì)量的下降，原因就是雜質(zhì)區(qū)域的硬度較周圍純凈區(qū)域高。

在工程實(shí)踐中，將上述存在硬質(zhì)點(diǎn)的多晶硅錠稱為點(diǎn)雜多晶硅錠。就目前的市場切片量來看，點(diǎn)雜多晶硅錠的切片量約占全部切片量的5%以下。點(diǎn)雜多晶硅的存在主要取決于鑄錠工藝，一般無法避免。雖然點(diǎn)雜多晶硅片對后續(xù)的制絨及光電轉(zhuǎn)換效率并無異于其他多晶硅片，但無論從切片的質(zhì)量或是合格率來看都比一般多晶硅差。目前，點(diǎn)雜多晶硅錠切片的平均合格率僅89%，硅片表面的線痕較多，還易出現(xiàn)斷線，不僅耽誤了時間，還加大了成本。現(xiàn)階段，上述問題一直困擾著整個中國太陽能硅片行業(yè)，如能解決，不但在經(jīng)濟(jì)上可減少成本，提高材料利用率，增加企業(yè)利潤，還能進(jìn)一步拓寬太陽能電池的市場競爭力，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

電解磨削多線切割的運(yùn)用已在游離磨料上得到了完全的實(shí)施，并取得了良好效果。例如：在對硅片的表面質(zhì)量、普線、TTV等問題上都有所幫助，有關(guān)這一方向的研究成果也在不斷增加。目前，這項(xiàng)發(fā)明正在向固結(jié)磨料多線切割方面不斷改進(jìn)，相信電解磨削多線切割技術(shù)的運(yùn)用領(lǐng)域會越來越廣。本文針對點(diǎn)雜多晶硅錠切片困難的問題，提出一種將電解磨削多線切割技術(shù)用于點(diǎn)雜多晶硅錠切片的方法，解決點(diǎn)雜多晶硅錠切片合格率低和質(zhì)量差的問題。由于點(diǎn)雜多晶硅錠存在硬質(zhì)點(diǎn)的區(qū)域硬度相對較大、較難切，所以試驗(yàn)時將適量地添加電解液，加強(qiáng)電化學(xué)作用，希望能達(dá)到更好的切割效果。

1　試驗(yàn)

1.1試驗(yàn)對象

根據(jù)硬質(zhì)點(diǎn)存在的大小和集中程度，可將點(diǎn)雜情況劃分為分散點(diǎn)雜（圖1b）和集中點(diǎn)雜（圖1c）。由圖1a可見，無任何的雜質(zhì)點(diǎn)；由圖1b可看出存在明顯的雜質(zhì)點(diǎn)，但數(shù)量較少，分散的范圍較大；由圖1c可看出，不僅存在雜質(zhì)點(diǎn)，且數(shù)量較多，又相對集中在上半部。可以想到，集中點(diǎn)雜的多晶硅錠比分散點(diǎn)雜的更難切，且由于集中點(diǎn)雜多晶硅錠的數(shù)量極少，而試驗(yàn)又需要大量的材料，故采用分散點(diǎn)雜多晶硅錠作為試驗(yàn)對象。

1.2試驗(yàn)原理

切割點(diǎn)雜多晶硅錠試驗(yàn)在游離磨料多線切割機(jī)上進(jìn)行，砂漿的主要成分為液（由聚乙二醇、乙二醇、甘油等組成）和砂（以SiC為主），并以1.49∶1的比例混合而成；切割線為鍍銅的鋼線，其高速運(yùn)行帶動了砂漿里的SiC磨粒進(jìn)入切割區(qū)域，形成類似無數(shù)的刀刃對硅錠進(jìn)行研磨，從而完成切片，其加工方法示意圖見圖2。電解磨削多線切割技術(shù)是利用電化學(xué)和機(jī)械磨削的復(fù)合作用，將電源陰極接到切割線網(wǎng)上、陽極接到硅錠上，切割線只存在機(jī)械的磨削受損，而硅錠不僅受到機(jī)械的磨削作用，還發(fā)生電化學(xué)的陽極微區(qū)鈍化反應(yīng)，使硅錠的表面形成鈍化膜。鈍化膜會不斷地被夾帶砂漿的鋼線磨除，露出新的表面，而后硅錠表面再形成鈍化膜，如此過程不斷重復(fù)。由于鈍化膜的硬度比硅錠低，故這是一種宏觀切削力低、機(jī)械損傷少的太陽能硅片多線切割方法，可降低斷線幾率，提高切片效率。圖3是試驗(yàn)系統(tǒng)原理圖［1-5］。

圖1　多晶硅錠紅外探傷圖

圖2　加工方法示意圖

圖3　試驗(yàn)系統(tǒng)原理圖

由于電解作用的效果與每根切割線上的電流密度呈絕對的正相關(guān)性，故假設(shè)本試驗(yàn)最大電解電流I=20 A，切割線的直徑D=0.12 mm，硅錠的寬度d=156 mm，硅片的平均厚度h=0.18 mm，一根硅棒的裝載量L=500 mm，且由于是雙工位切割，則每根切割線上的電流密度為：

可見，電流密度的大小與最大電解電流成正比，與硅錠的寬度、硅棒的裝載量成反比。由于硅錠的寬度與硅棒的裝載量和工廠的實(shí)際產(chǎn)量有直接的關(guān)系，這些量的減小會直接降低工廠的效益，于是增加電流密度的可行性辦法就是增加電解電流的最大值；然而，過大的電解電流會超出切割線的承載能力，從而引發(fā)斷線，對切片的質(zhì)量產(chǎn)生不良影響，所以試驗(yàn)的電流不可盲目過大，需找到一個合適的電流值。

1.3試驗(yàn)過程

1.3.1試驗(yàn)設(shè)備與材料

試驗(yàn)使用的切片機(jī)床是HCT-B5機(jī)型，它是目前用于太陽能電池切片的主要機(jī)型之一，是一種游離磨料四工位的多線切割機(jī)器。此外，整個電解磨削試驗(yàn)系統(tǒng)的核心就是電解磨削電源，其具備以太網(wǎng)監(jiān)控及電流調(diào)節(jié)功能，以太網(wǎng)監(jiān)控功能可實(shí)時記錄試驗(yàn)時的電流、電壓變化并保存數(shù)據(jù)，電流調(diào)節(jié)功能可改變試驗(yàn)的電解電流，加強(qiáng)電解的作用［6］。

為了使試驗(yàn)和一線生產(chǎn)保持絕對的一致，選用的工件材料為點(diǎn)雜硅，晶體類型為P型多晶，電阻率為1～3 Ω·cm，硅片尺寸為156 mm×156 mm。

1.3.2進(jìn)電方式及試驗(yàn)參數(shù)

在硅棒上機(jī)前，有關(guān)的選錠、配棒、粘膠等工序都是一樣的，待這些工序都完成以后，需將帶有足夠長導(dǎo)線的銅片粘在點(diǎn)雜多晶硅錠的兩端，銅片與硅錠連接處用銀漿做好導(dǎo)電處理，電阻＜5 Ω視為合格；再在銀漿上覆蓋一層保護(hù)膠，一方面能使銅片與硅錠的連接更牢靠，另一方面是為了防止切割硅錠時砂漿對銀漿的沖刷。如此，只需等待保護(hù)膠干透即可上機(jī)，然后將導(dǎo)線連接電解電源，待一切工作準(zhǔn)備就緒，即可開啟電源進(jìn)行切片。圖4是硅錠進(jìn)電示意圖。為了完全兼容工廠實(shí)際生產(chǎn)情況，試驗(yàn)工藝參數(shù)見表1。

圖4　硅錠進(jìn)電示意圖

表1　試驗(yàn)工藝參數(shù)

2　結(jié)果與分析

為了更好地分析試驗(yàn)結(jié)果，采用一般多線切割和電解磨削多線切割方法進(jìn)行硅片切割對比試驗(yàn)，試驗(yàn)對象均為點(diǎn)雜多晶硅錠。

2.1表面質(zhì)量對比分析

隨機(jī)選取兩片用不同方法加工的硬質(zhì)點(diǎn)硅片，觀察其表面的線痕差異?？煽闯觯＜庸さ墓杵砻嬗忻黠@的硬質(zhì)點(diǎn)，線痕較多，且線痕處有明顯的高度差突變（圖5a）；而電解磨削試驗(yàn)加工的硅片表面線痕較少，且線痕的高度差也很淺（圖5b）。

圖5　不同方法加工點(diǎn)雜多晶硅片線痕

2.2合格率及不良指標(biāo)對比分析

合格率是指切片線痕在15 μm以下且表面質(zhì)量較好的硅片數(shù)量占總切片數(shù)量的比值。從圖6可看出，電解磨削切片的合格率曲線位于正常磨削合格率曲線的上方，最高為94.89%，最低為90.38%，平均合格率為91.89%，均高于正常磨削。圖7是將電解磨削切割試驗(yàn)與正常切割的其他不良指標(biāo)進(jìn)行的對比?？煽闯觯娊饽ハ髑衅牟涣记€位于正常切片曲線的下方，各項(xiàng)不良指標(biāo)的數(shù)值都有所降低，如C薄、TTV、厚薄片等指標(biāo)的降低都能從另一方面反映出電解磨削多線切割對于點(diǎn)雜多晶硅錠切片能力強(qiáng)、振動小、平穩(wěn)性好的特點(diǎn)，從而使硅片的整體質(zhì)量有所提高。從上述兩方面的指標(biāo)對比可得出結(jié)論，電解磨削多線切割技術(shù)對于點(diǎn)雜多晶硅錠的切割是有利的，完全驗(yàn)證了試驗(yàn)前的想法。

圖6　電解磨削與正常磨削切割的合格率對比

圖7　電解磨削與正常磨削切割的不良指標(biāo)對比

試驗(yàn)結(jié)束后，隨機(jī)抽取了10刀廢切割線并測量其平均線徑，再與正常切割后的廢切割線的線徑作比較。由圖8可看出，2條曲線交錯在一起，電解磨削與正常磨削后的廢切割線最大、最小線徑分別為111.7、111.8 μm和108.5、109.4 μm，線徑的磨損并無明顯差異。

圖8　電解磨削與正常磨削的廢切割線線徑對比

2.3電解液及砂漿沉積

為了加強(qiáng)電解磨削對點(diǎn)雜多晶硅錠的切割能力，試驗(yàn)前3批添加自主研發(fā)的專用電解液，其組成有聚乙二醇、乙二醇、能微溶于聚乙二醇或溶于乙二醇的電解質(zhì)，希望通過提高砂漿的電導(dǎo)率和離子含量來加強(qiáng)電化學(xué)的效果［7］。表2是連續(xù)批次試驗(yàn)的切片平均合格率，可見添加電解液的效果沒有想象的那么理想，切片的合格率并無明顯提高。

表2　電解磨削試驗(yàn)的切片平均合格率

隨著電解液的添加，試驗(yàn)做到第3批次時出現(xiàn)了明顯的砂漿沉積現(xiàn)象。砂漿沉積是指砂漿粘附在硅片表面，使硅片不易清洗的現(xiàn)象，這是一個由來已久的問題。砂漿殘留在硅片表面，易引起脹棒并造成裂片，硅錠脫膠多次耗時長，加大了成本，嚴(yán)重時還需人為水管沖洗，易損壞硅片，還會引起出刀線痕、TTV異常等許多不良問題［8］。本試驗(yàn)出現(xiàn)了砂漿沉積的現(xiàn)象，這與電解液的添加量有關(guān)。當(dāng)每刀添加1 L電解液時，并未出現(xiàn)異常；當(dāng)添加到2 L電解液時，出現(xiàn)了砂漿沉積現(xiàn)象。目前，企業(yè)一直認(rèn)為砂漿沉積的致因和砂漿的含水量有關(guān)，于是，本文對電解磨削試驗(yàn)與正常切割的舊砂漿含水量及電導(dǎo)率進(jìn)行了對比。從表3可看出，電解液的添加對砂漿電導(dǎo)率有一定影響，會使砂漿電導(dǎo)率較高，但含水量的差別不是很大。

表3　電解磨削試驗(yàn)與正常切割的舊砂漿含水量及電導(dǎo)率

3　結(jié)論

本文將電解磨削多線切割點(diǎn)雜多晶硅錠與正常的多線切割方式進(jìn)行了對比試驗(yàn)研究，得出如下結(jié)論：

（1）通過對比表面線痕可知，電解磨削多線切割硅片的表面質(zhì)量更好。

（2）連續(xù)系統(tǒng)批量試驗(yàn)結(jié)果表明，電解磨削多線切割點(diǎn)雜多晶硅錠的切片平均合格率比正常多線切割的平均合格率高出近2%，其他反映硅片不良的指標(biāo)也有所降低，且未增大切割線的磨損量，不會引發(fā)斷線幾率的提高。

（3）目前，電解磨削試驗(yàn)添加電解液確實(shí)能提高砂漿的電導(dǎo)率，但對比不添加電解液的試驗(yàn)，切片的合格率及其他指標(biāo)并無明顯改善。進(jìn)一步總結(jié)得到，電解磨削試驗(yàn)每刀添加電解液的量不宜過多，否則會引起砂漿沉積現(xiàn)象；而砂漿沉積具體的導(dǎo)致原因并不只是單純含水量的問題。

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Experimental Study on Impurities Polycrystalline Solar Wafer by Hybrid Electrochemical Grinding Multi-wire Saw

Zhang Kai，Wang Wei，Bao Guanpei，Zhao Mingcai
（College of Mechanical and Electrical Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China）

Abstract：A new technology of cutting impurities polycrystalline solar wafer by hybrid electrochemical grinding multi-wire saw is put forward. Silicon ingot and cutting wire are connected with pulse power anode and cathode respectively. Due to electrolysis，micro passivation reaction will happen and passivation film whose hardness is smaller than silicon will form in surface of silicon ingot，which makes impurities polycrystalline ingot easier to be cut. The experimental results show that higher efficiency of cutting and higher slicing passes rate can be obtained by introducing this technique. Further，it is found that saw marks of silicon wafer is more shallow，micro -cracks is fewer and microscopic surface flatness is better. The technique can reduce silicon cutting cost and increase utilization of silicon. Thereby，the space for the use of solar cells is broadened.

Key words：hybrid electrochemical grinding；multi-wire saw；impurities polycrystalline；solar wafer

中圖分類號：TG580.66

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009－279X（2016）02－0035-05

收稿日期：2015-12-29

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51175259）

第一作者簡介：章愷，男，1989年生，碩士研究生。