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(jī)臺誕生于1980年代，它源于Charles Hauser 博士前沿性的研究和工作。Charles Hauser 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(jī)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(jī)臺的基本結(jié)構(gòu)仍然源于Charles Hauser 博士最初的機(jī)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(xì)高強(qiáng)度切割線。最多可達(dá)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(dá)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(jìn)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(dá)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(jī)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(dá)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(xì)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(xì)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(dá)功率和切割線拉力。
4) 易于維護(hù)性 – 線鋸在切割之間需要更換切割線和研磨漿，維護(hù)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(dá)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(jī)械脆性以外，如果線鋸工藝沒有精密控制，細(xì)微的裂紋和彎曲都會對產(chǎn)品良率產(chǎn)生負(fù)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(jìn)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(xì)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(xì)的切割線和更薄的硅片都提升了生產(chǎn)力，同時，先進(jìn)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(jī)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(xì)切割線的線鋸系統(tǒng) ，最低可達(dá)到80μm。相對于業(yè)界領(lǐng)先的應(yīng)用材料公司HCT B5線鋸系統(tǒng)，這些改進(jìn)減少了硅料損失使產(chǎn)量提高多達(dá)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(jī)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(hù)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(xì)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(hù)方便與否對總體生產(chǎn)力有著很大的影響。MaxEdge 系統(tǒng)的機(jī)械布局在設(shè)計上考慮到了維護(hù)的方便，使切割線替換和研磨漿噴頭清洗等普通維護(hù)工作能夠非常容易和快速地進(jìn)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HCT B5線鋸系統(tǒng)的裝機(jī)量超過500臺，是光伏切片領(lǐng)域的標(biāo)桿產(chǎn)品。
結(jié)論
在光伏領(lǐng)域，線鋸技術(shù)的進(jìn)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(dá)到電網(wǎng)平價起到了至關(guān)重要的作用。最新最先進(jìn)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。