硅片切割是太陽能光伏電池制造工藝中的關(guān)鍵部分。該工藝用于處理單晶硅或者多晶硅的固體硅錠。線鋸首先把硅錠切成方塊，然后切成很薄的硅片。(圖1)這些硅片就是制造光伏電池的基板。

圖1.硅片切割的3個步驟：切料,切方和切片

硅片是晶體硅光伏電池技術(shù)中最昂貴的部分，所以降低這部分的制造成本對于提高太陽能對傳統(tǒng)能源的競爭力至關(guān)重要。本文將對硅片切片工藝、制造業(yè)的挑戰(zhàn)和新一代線鋸技術(shù)如何降低切片成本做一個概述。

線鋸的發(fā)展史

第一臺實用的光伏切片機臺誕生于1980年代，它源于CharlesHauser博士前沿性的研究和工作。CharlesHauser博士是瑞士HCT切片系統(tǒng)的創(chuàng)辦人，也就是現(xiàn)在的應(yīng)用材料公司pWS精確硅片處理系統(tǒng)事業(yè)部的前身。這些機臺使用切割線配以研磨漿來完成切割動作。今天，主流的用于硅錠和硅片切割的機臺的基本結(jié)構(gòu)仍然源于CharlesHauser博士最初的機臺，不過在處理載荷和切割速度上已經(jīng)有了顯著的提高。

切割工藝

現(xiàn)代線鋸的核心是在研磨漿配合下用于完成切割動作的超細高強度切割線。最多可達1000條切割線相互平行的纏繞在導(dǎo)線輪上形成一個水平的切割線“網(wǎng)“。馬達驅(qū)動導(dǎo)線輪使整個切割線網(wǎng)以每秒5到25米的速度移動。切割線的速度、直線運動或來回運動都會在整個切割過程中根據(jù)硅錠的形狀進行調(diào)整。在切割線運動過程中，噴嘴會持續(xù)向切割線噴射含有懸浮碳化硅顆粒的研磨漿。

圖2.硅塊通過切割線組成的切割網(wǎng).

硅塊被固定于切割臺上，通常一次4塊。切割臺垂通過運動的切割線切割網(wǎng)，使硅塊被切割成硅片(圖2)。切割原理看似非常簡單，但是實際操作過程中有很多挑戰(zhàn)。線鋸必須精確平衡和控制切割線直徑、切割速度和總的切割面積，從而在硅片不破碎的情況下，取得一致的硅片厚度，并縮短切割時間。

減少硅料消耗

對于以硅片為基底的光伏電池來說，晶體硅(c-Si)原料和切割成本在電池總成本中占據(jù)了最大的部分。光伏電池生產(chǎn)商可以通過在切片過程中節(jié)約硅原料來降低成本。降低截口損失可以達到這個效果，截口損失主要和切割線直徑有關(guān)，是切割過程本身所產(chǎn)生的原料損失。切割線直徑已經(jīng)從原來的180-160µm降低到了目前普遍使用的140-100µm。降低切割線直徑還可以在同樣的硅塊長度下切割出更多的硅片，提升機臺產(chǎn)量。

讓硅片變得更薄同樣可以減少硅原料消耗。在過去的十多年中，光伏硅片的厚度從原來的330µm降低到現(xiàn)在普遍的180-220µm范圍內(nèi)。這個趨勢還將繼續(xù)，硅片厚度將變成100μm.減少硅片厚度帶來的效益是驚人的，從330μm到130μm，光伏電池制造商最多可以降低總體硅原料消耗量多達60%。

制造業(yè)的挑戰(zhàn)

在硅片切割工藝中我們需要面對多項挑戰(zhàn)，主要聚焦于線鋸的生產(chǎn)力，也就是單位時間內(nèi)生產(chǎn)的硅片數(shù)量。生產(chǎn)力取決于以下幾個因素：

1)切割線直徑–更細的切割線意味著更低的截口損失，也就是說同一個硅塊可以生產(chǎn)更多的硅片。然而，切割線更細更容易斷裂。

2)荷載–每次切割的總面積，等于硅片面積X每次切割的硅塊數(shù)量X每個硅塊所切割成的硅片數(shù)量。

3)切割速度–切割臺通過切割線切割網(wǎng)的速度，這在很大程度上取決于切割線運動速度，馬達功率和切割線拉力。

4)易于維護性–線鋸在切割之間需要更換切割線和研磨漿，維護的速度越快，總體的生產(chǎn)力就越高。

生產(chǎn)商必須平衡這些相關(guān)的因素使生產(chǎn)力達到最大化。更高的切割速度和更大的荷載將會加大切割切割線的拉力，增加切割線斷裂的風(fēng)險。由于同一硅塊上所有硅片是同時被切割的，只要有一條切割線斷裂，所有部分切割的硅片都不得不丟棄。然而，使用更粗更牢固的切割線也并不可取，這會減少每次切割所生產(chǎn)的硅片數(shù)量，并增加硅原料的消耗量。

硅片厚度也是影響生產(chǎn)力的一個因素，因為它關(guān)系到每個硅塊所生產(chǎn)出的硅片數(shù)量。超薄的硅片給線鋸技術(shù)提出了額外的挑戰(zhàn)，因為其生產(chǎn)過程要困難得多。除了硅片的機械脆性以外，如果線鋸工藝沒有精密控制，細微的裂紋和彎曲都會對產(chǎn)品良率產(chǎn)生負面影響。超薄硅片線鋸系統(tǒng)必須可以對工藝線性、切割線速度和壓力、以及切割冷卻液進行精密控制。

無論硅片的厚薄，晶體硅光伏電池制造商都對硅片的質(zhì)量提出了極高的要求。硅片不能有表面損傷(細微裂紋、線鋸印記)，形貌缺陷(彎曲、凹凸、厚薄不均)要最小化，對額外后端處理如拋光等的要求也要降到最低。

新一代線鋸產(chǎn)品

為了滿足市場對于更低成本和更高生產(chǎn)力的要求，新一代線鋸必須提升切割速度，使用更長的硅塊從而提高切割荷載。更細的切割線和更薄的硅片都提升了生產(chǎn)力，同時，先進的工藝控制可以管理切割線拉力以此保持切割線的牢固性。

使用不止一組切割切割線是在保持速度的前提下提高機臺產(chǎn)量的一個創(chuàng)新方法。應(yīng)用材料公司最新的MaxEdge™系統(tǒng)(圖3)采用了獨特的兩組獨立控制的切割組件(圖4)。

MaxEdge是業(yè)界第一個專門設(shè)計使用細切割線的線鋸系統(tǒng)，最低可達到80μm。相對于業(yè)界領(lǐng)先的應(yīng)用材料公司HCTB5線鋸系統(tǒng)，這些改進減少了硅料損失使產(chǎn)量提高多達50%。

圖3.應(yīng)用材料公司MaxEdge線鋸系統(tǒng)

更高生產(chǎn)力的線鋸系統(tǒng)在同樣的硅片產(chǎn)量下可以減少機臺數(shù)量。因此，制造商可以大幅降低設(shè)備、操作人員和維護的成本。降低硅片的消耗量也就是直接降低了太陽能電力的每瓦成本。

圖4.雙切割線可以在不犧牲切割速度的情況下，提高荷載并減少切割線直徑

MaxEdge系統(tǒng)結(jié)合了更細的切割線和更薄的硅片，提升了線鋸技術(shù)，有望于2011年以前使太陽能電力的每瓦成本降低0.18美元。(圖5).

圖5.應(yīng)用材料公司優(yōu)化的線鋸技術(shù)直接降低了太陽能電力的成本

注意：該圖表的前提是太陽能電池效率保持不變;硅原料成本為55美元/公斤。

前面已經(jīng)談到，維護方便與否對總體生產(chǎn)力有著很大的影響。MaxEdge系統(tǒng)的機械布局在設(shè)計上考慮到了維護的方便，使切割線替換和研磨漿噴頭清洗等普通維護工作能夠非常容易和快速地進行。

線鋸產(chǎn)品市場

硅片供應(yīng)商和希望自己控制切片工藝的整合晶體硅光伏組件生產(chǎn)商都需要使用線鋸設(shè)備。單晶硅和多晶硅光伏技術(shù)都需要使用到它。

大多數(shù)光伏線鋸設(shè)備是硅片供應(yīng)商購買的。他們一般生長硅錠或者硅塊、將硅原料切合處理成硅片，最終銷售給光伏電池制造商用于制造電池。業(yè)界最成功的應(yīng)用材料公司HCTB5線鋸系統(tǒng)的裝機量超過500臺，是光伏切片領(lǐng)域的標桿產(chǎn)品。

結(jié)論

在光伏領(lǐng)域，線鋸技術(shù)的進步縮小了硅片厚度并降低了切割過程中的材料損耗，從而減少了太陽能電力的硅材料消耗量。(每瓦使用更少克數(shù)的硅材料)目前，原材料幾乎占了晶體硅太陽能電池成本的三分之一，因此，線鋸技術(shù)對于降低太陽能每瓦成本并最終促使其達到電網(wǎng)平價起到了至關(guān)重要的作用。最新最先進的線鋸技術(shù)帶來了很多創(chuàng)新，提高了生產(chǎn)力并通過更薄的硅片減少了硅材料的消耗。