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【摘 要】铸造级太阳能多晶硅由于其原料纯度和制备过程中容易引入碳及氮化物杂质，引起硅片切割过程中出现跳线和断线现象，从而造成破片率偏高。通过金相显微镜和场发射扫描电镜测试硅片碎裂处表观形貌，结合X-射线能量色散谱对其进行微区元素分析，以期从原材料选择到工艺优化等方面降低硅片的破片率。
【关键词】太阳能;晶体硅片;切割技术
前言
光伏发电是一种清洁高效的新能源，近年来其发展呈现井喷趋势。2016年，全球光伏发电新增装机量达75GW，新增装机量增速为41%;累计装机量超过303GW，累计装机量增速为33%。2016年光伏发电首次成为装机最大的新增能源[1-2]。在光伏组件成本构成中，硅片仍是光伏行业价值链中的关键环节，占组件成本的20%。而在切片环节中，硅料损耗较为严重，砂浆钢线切割技术会浪费约40%的硅料，目前主流的金刚线切割技术也会浪费近30%的硅料[2-3]。因此，从光伏发电技术发展的需求来看，硅片的切割技术虽已取得巨大的进步，但仍有较大的改善空间，是整个行业一直关注的重点。
一、硅片技术概述
1.多晶硅片主要是通过多晶硅材料定向凝固（DSS）生长多晶硅锭后切割加工制成，单晶硅片则是通过多晶硅材料直拉（CZ）单晶硅棒后切割加工制成。多晶硅片制备的主要工艺包括：多晶硅材料准备-铸锭多晶生长-破锭切方-平磨和倒角表面处理-多线切割-清洗-检验分选等环节。单晶硅片制备的主要工艺包括：多晶硅材料准备-直拉单晶生长-晶棒截断-切方-滚磨表面处理-多线切割-清洗-检验分选等环节。多晶硅片和单晶硅片制备工艺的主要区别在于前端的晶体生长技术和装备不同，后端的切割加工处理工艺基本相同，其关键技术主要包括铸锭多晶硅生长技术、直拉单晶生长技术、多线切割技术等。
2.半导体工业的发展要求芯片厚度越来越薄，高性能电子产品的立体封装所需的超薄芯片厚度甚至小于50，但是硅片切割过程中破片率高的问题却一直困扰着光伏行业硅片制造业。行业内已对硅片的切割过程进行了一些相关研究，但鲜见通过破片断面探讨硅片破碎的形成原因。文中就这一问题，运用金相显微镜、扫描电镜及能谱仪探讨了硅片破碎的成因，以期从原材料选择到工艺优化等方面降低硅片的破片率。
二、太阳能用晶体硅片切割技术
1.砂浆钢线切割技术砂浆钢线切割技术的原理是通过一根高速运动的钢线带动附着在钢线上的切割刃料（碳化硅）对切削材料进行摩擦，在钢线来回摩擦切削材料的同时，在钢线上附着的切割液（PEG）同碳化硅一起运动，通过三者间的相互摩擦作用达到切割效果。在切割过程中，钢线通过多个导线轮的引导，在主辊上排列成线网状，待加工硅棒固定在工作台上，通过工作台的下降实现硅棒的进给切割。其中，碳化硅颗粒在硅棒和钢线之间发挥“滚动-压裂”的作用，是切割的核心物质;切割液具有切削、粘滞、冷却3大功能，可有效提高硅片质量和生产效率。砂浆钢线切割技术与内圆切割工艺相比具有很多优点：比如，经济效益高，一次可切约2000片的硅片;硅片各项检验参数有很大提升，表面翘曲度小，总厚度公差离散性小，表面损伤层和表面粗糙度小等;切割损耗较低，单位长度出片数增加。日本NTC小松公司生产的MWM442DM切片机使用的钢线的线径可达120?m，钢线运动线速度可达1000m/min，切割进给速度为0.1～2.5mm/min，单次切割硅棒长度达600mm，单次出片数可达1800片，耗线量约为10m/片。
2.直拉单晶硅棒生长技术单晶硅棒的生长是采用高纯多晶硅为原料，在直拉单晶炉内将多晶硅熔化，熔融的单质硅在凝固时硅原子以金刚石晶格排列成许多晶核，晶核长成晶面取向相同的晶粒，晶粒平行结合起来便结晶成单晶硅。单晶硅棒生长技术按晶体生长方法的不同分为直拉（CZ）和区熔（FZ）两种，获得的单晶硅分别称为直拉单晶硅和区熔单晶硅。由于CZ法比FZ法更容易生产出大尺寸的单晶硅棒以及成本和性能的原因，目前直拉单晶硅材料的应用占85%以上，太阳能电池用单晶硅一般采用直拉法制备。直拉法生长单晶硅棒的工艺过程主要包括：加料-熔化-缩颈生长-放肩生长-等径生长-尾部生长-冷却等。
三、晶体硅铸锭制备技术发展趋势的分析
1.线切设备由于多线切割机制造技术难度大，核心技术长期被瑞士、日本等国家的极少数公司所垄断，目前国内使用的多线切割机几乎全部依赖进口。随着我国光伏产业的不断发展，我国相关企业正在积极开发具有自主知识产权的多线切割技术及装备。
2.在光伏行业向平价上网迈进的过程中，提高组件输出功率、降低生产成本是光伏企业必须应对的一大课题。持续推进晶体硅片向大尺寸化和薄片化发展是有效措施之一。大尺寸硅片产品增加了硅片面积，提升了光伏组件的发电功率。2016年年底，光伏行业使用的硅片从156.0mm×156.0mm全部切换到156.75mm×156.75mm，单片功率提高近1%，可以预测的是，更大面积硅片的使用（如161.75mm×161.75mm）能更好地满足市场发展的需求，其使用也会很快到来。161.75mm×161.75mm的硅片相比于156.0mm×156.0mm的硅片，其边长只增加5.75mm，目前的切割设备行程和切割技术仍可以满足要求，需要改变的只是硅片清洗工序的花篮和硅片的包装，这些物品属于低值物品或易耗品，可以通过更替的方式解决。因此，可以认为大尺寸硅片对当前的切片技术是无缝对接的。硅片薄片化是光伏技术进步的重要体现，是减少硅材料消耗和降低晶体硅太阳电池成本的重要措施。30多年来，太阳电池用硅片的厚度从450～500降低到目前的170～200，对推动光伏行业发展起到了重要的作用。目前行业内单、多晶硅片平均厚度约在180，未来将向160甚至是140发展，硅片薄片化还存在较大的发展空间。顺应硅片的发展潮流，未来的切割技术也将朝着硅片更薄、线耗更小、效率更高等趋势发展，这就要求硅片切割技术不断进步。从目前情况来看，金刚线切割技术将是未来相当长一段时间内主流的硅片切割技术，以下对未来硅片切割技术的发展趋势进行分析。
结束语
晶体硅太阳能电池用硅片的制备是光伏产业链中最重要的关键环节之一，硅片技术的发展方向是硅片的薄型化和大型化。理论上硅片可减至100μm，但较薄的硅片也将带来良品率的问题。在切割方面，硅片薄型化将使切片时碎片率提高;在配套辅料方面，薄的硅片也意味着需要直径更细的光伏切割线、粒度更小的切割刃料;在下游电池片制造过程中，较薄的硅片易导致破损率提高。因此硅片的薄型化应该有一个在用硅量和生产效率之间达到平衡的最优值。相对于光伏产业链的其他生产环节，硅锭/硅片所需的技术含量并不高，来料加工的特点较为明显。规模化发展有利于降低生产成本、增强产品竞争力以提高产品議价能力，因此规模化发展将是未来硅片行业发展的趋势之一。目前我国主要的硅片生产商均大规模扩产，如保利协鑫公司的硅片、赛维LDK硅片，位列全球前两位。此外我国在硅锭/硅片领域，设备和原辅料国产化水平不断提高。在多晶硅铸锭炉方面，浙江精工科技2008年研发出国内第一台240kg级多晶硅铸锭炉，2011改造升级至500kg级多晶硅铸锭炉;在硅片切割方面，我国中电48所、中电45所等相继推出了多线切割机;在切割辅料方面恒星科技和福星集团相继投入研发切割线，并且开始产业化发展，使得国内摆脱该领域依赖进口的局面。
（作者单位：天津市环欧半导体材料技术有限公司）
【关键词】太阳能;晶体硅片;切割技术
前言
光伏发电是一种清洁高效的新能源，近年来其发展呈现井喷趋势。2016年，全球光伏发电新增装机量达75GW，新增装机量增速为41%;累计装机量超过303GW，累计装机量增速为33%。2016年光伏发电首次成为装机最大的新增能源[1-2]。在光伏组件成本构成中，硅片仍是光伏行业价值链中的关键环节，占组件成本的20%。而在切片环节中，硅料损耗较为严重，砂浆钢线切割技术会浪费约40%的硅料，目前主流的金刚线切割技术也会浪费近30%的硅料[2-3]。因此，从光伏发电技术发展的需求来看，硅片的切割技术虽已取得巨大的进步，但仍有较大的改善空间，是整个行业一直关注的重点。
一、硅片技术概述
1.多晶硅片主要是通过多晶硅材料定向凝固（DSS）生长多晶硅锭后切割加工制成，单晶硅片则是通过多晶硅材料直拉（CZ）单晶硅棒后切割加工制成。多晶硅片制备的主要工艺包括：多晶硅材料准备-铸锭多晶生长-破锭切方-平磨和倒角表面处理-多线切割-清洗-检验分选等环节。单晶硅片制备的主要工艺包括：多晶硅材料准备-直拉单晶生长-晶棒截断-切方-滚磨表面处理-多线切割-清洗-检验分选等环节。多晶硅片和单晶硅片制备工艺的主要区别在于前端的晶体生长技术和装备不同，后端的切割加工处理工艺基本相同，其关键技术主要包括铸锭多晶硅生长技术、直拉单晶生长技术、多线切割技术等。
2.半导体工业的发展要求芯片厚度越来越薄，高性能电子产品的立体封装所需的超薄芯片厚度甚至小于50，但是硅片切割过程中破片率高的问题却一直困扰着光伏行业硅片制造业。行业内已对硅片的切割过程进行了一些相关研究，但鲜见通过破片断面探讨硅片破碎的形成原因。文中就这一问题，运用金相显微镜、扫描电镜及能谱仪探讨了硅片破碎的成因，以期从原材料选择到工艺优化等方面降低硅片的破片率。
二、太阳能用晶体硅片切割技术
1.砂浆钢线切割技术砂浆钢线切割技术的原理是通过一根高速运动的钢线带动附着在钢线上的切割刃料（碳化硅）对切削材料进行摩擦，在钢线来回摩擦切削材料的同时，在钢线上附着的切割液（PEG）同碳化硅一起运动，通过三者间的相互摩擦作用达到切割效果。在切割过程中，钢线通过多个导线轮的引导，在主辊上排列成线网状，待加工硅棒固定在工作台上，通过工作台的下降实现硅棒的进给切割。其中，碳化硅颗粒在硅棒和钢线之间发挥“滚动-压裂”的作用，是切割的核心物质;切割液具有切削、粘滞、冷却3大功能，可有效提高硅片质量和生产效率。砂浆钢线切割技术与内圆切割工艺相比具有很多优点：比如，经济效益高，一次可切约2000片的硅片;硅片各项检验参数有很大提升，表面翘曲度小，总厚度公差离散性小，表面损伤层和表面粗糙度小等;切割损耗较低，单位长度出片数增加。日本NTC小松公司生产的MWM442DM切片机使用的钢线的线径可达120?m，钢线运动线速度可达1000m/min，切割进给速度为0.1～2.5mm/min，单次切割硅棒长度达600mm，单次出片数可达1800片，耗线量约为10m/片。
2.直拉单晶硅棒生长技术单晶硅棒的生长是采用高纯多晶硅为原料，在直拉单晶炉内将多晶硅熔化，熔融的单质硅在凝固时硅原子以金刚石晶格排列成许多晶核，晶核长成晶面取向相同的晶粒，晶粒平行结合起来便结晶成单晶硅。单晶硅棒生长技术按晶体生长方法的不同分为直拉（CZ）和区熔（FZ）两种，获得的单晶硅分别称为直拉单晶硅和区熔单晶硅。由于CZ法比FZ法更容易生产出大尺寸的单晶硅棒以及成本和性能的原因，目前直拉单晶硅材料的应用占85%以上，太阳能电池用单晶硅一般采用直拉法制备。直拉法生长单晶硅棒的工艺过程主要包括：加料-熔化-缩颈生长-放肩生长-等径生长-尾部生长-冷却等。
三、晶体硅铸锭制备技术发展趋势的分析
1.线切设备由于多线切割机制造技术难度大，核心技术长期被瑞士、日本等国家的极少数公司所垄断，目前国内使用的多线切割机几乎全部依赖进口。随着我国光伏产业的不断发展，我国相关企业正在积极开发具有自主知识产权的多线切割技术及装备。
2.在光伏行业向平价上网迈进的过程中，提高组件输出功率、降低生产成本是光伏企业必须应对的一大课题。持续推进晶体硅片向大尺寸化和薄片化发展是有效措施之一。大尺寸硅片产品增加了硅片面积，提升了光伏组件的发电功率。2016年年底，光伏行业使用的硅片从156.0mm×156.0mm全部切换到156.75mm×156.75mm，单片功率提高近1%，可以预测的是，更大面积硅片的使用（如161.75mm×161.75mm）能更好地满足市场发展的需求，其使用也会很快到来。161.75mm×161.75mm的硅片相比于156.0mm×156.0mm的硅片，其边长只增加5.75mm，目前的切割设备行程和切割技术仍可以满足要求，需要改变的只是硅片清洗工序的花篮和硅片的包装，这些物品属于低值物品或易耗品，可以通过更替的方式解决。因此，可以认为大尺寸硅片对当前的切片技术是无缝对接的。硅片薄片化是光伏技术进步的重要体现，是减少硅材料消耗和降低晶体硅太阳电池成本的重要措施。30多年来，太阳电池用硅片的厚度从450～500降低到目前的170～200，对推动光伏行业发展起到了重要的作用。目前行业内单、多晶硅片平均厚度约在180，未来将向160甚至是140发展，硅片薄片化还存在较大的发展空间。顺应硅片的发展潮流，未来的切割技术也将朝着硅片更薄、线耗更小、效率更高等趋势发展，这就要求硅片切割技术不断进步。从目前情况来看，金刚线切割技术将是未来相当长一段时间内主流的硅片切割技术，以下对未来硅片切割技术的发展趋势进行分析。
结束语
晶体硅太阳能电池用硅片的制备是光伏产业链中最重要的关键环节之一，硅片技术的发展方向是硅片的薄型化和大型化。理论上硅片可减至100μm，但较薄的硅片也将带来良品率的问题。在切割方面，硅片薄型化将使切片时碎片率提高;在配套辅料方面，薄的硅片也意味着需要直径更细的光伏切割线、粒度更小的切割刃料;在下游电池片制造过程中，较薄的硅片易导致破损率提高。因此硅片的薄型化应该有一个在用硅量和生产效率之间达到平衡的最优值。相对于光伏产业链的其他生产环节，硅锭/硅片所需的技术含量并不高，来料加工的特点较为明显。规模化发展有利于降低生产成本、增强产品竞争力以提高产品議价能力，因此规模化发展将是未来硅片行业发展的趋势之一。目前我国主要的硅片生产商均大规模扩产，如保利协鑫公司的硅片、赛维LDK硅片，位列全球前两位。此外我国在硅锭/硅片领域，设备和原辅料国产化水平不断提高。在多晶硅铸锭炉方面，浙江精工科技2008年研发出国内第一台240kg级多晶硅铸锭炉，2011改造升级至500kg级多晶硅铸锭炉;在硅片切割方面，我国中电48所、中电45所等相继推出了多线切割机;在切割辅料方面恒星科技和福星集团相继投入研发切割线，并且开始产业化发展，使得国内摆脱该领域依赖进口的局面。
（作者单位：天津市环欧半导体材料技术有限公司）