硅片切割是太陽能光伏電池制造工藝中的關鍵部分。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，這些硅片就是制造光伏電池的基板。

　　硅片是晶體硅光伏電池技術中最昂貴的部分，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)和新一代線鋸技術如何降低切片成本做一個概述。

　　1. 線鋸切割的發(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)在的應用材料公司精確硅片處理系統(tǒng)事業(yè)部（PWS）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構仍然源于Charles Hauser 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。

　　2. 線鋸切割工藝

　　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線輪上形成一個水平的切割線“網(wǎng)“。馬達驅動導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。　

　　硅塊被固定于切割臺上，通常一次4塊。切割臺垂直通過運動的切割線組成的切割網(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。

　　3. 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，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。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%。

　　4. 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——切割臺通過切割線組成的切割網(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。

　　5. 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。

　　MaxEdge是業(yè)界第一個專門設計使用細切割線的線鋸系統(tǒng) ，最低可達到80μm。相對于業(yè)界領先的應用材料公司HCT B5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%。

　　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。

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

　　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。

　　應用材料公司副總裁、精確硅片切割系統(tǒng)事業(yè)部總經(jīng)理Stefan Schneeberger先生表示：“同業(yè)界領先的應用材料公司HCT B5系統(tǒng)相比，MaxEdge系統(tǒng)提高了硅片產(chǎn)量并降低了運營成本，使我們實現(xiàn)了對業(yè)界最佳線鋸產(chǎn)品的超越。MaxEdge系統(tǒng)結合了我們在線鋸產(chǎn)品上25年的創(chuàng)新歷史和來自客戶的重要反饋。硅片是晶體硅光伏電池制造中最昂貴的部分，降低硅片制造成本對于太陽能電力達到電網(wǎng)平價至關重要。”

　　6. 線鋸產(chǎn)品市場

　　硅片供應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備。單晶硅和多晶硅光伏技術都需要使用到它。

　　大多數(shù)光伏線鋸設備是硅片供應商購買的。他們一般生長硅錠或者硅塊、將硅原料切割處理成硅片，最終銷售給光伏電池制造商用于制造電池。業(yè)界最成功的應用材料公司HCT B5線鋸系統(tǒng)的裝機量超過500臺，是光伏切片領域名副其實的標桿產(chǎn)品。

　　7. 結論

　　在光伏領域，線鋸技術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。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)平價起到了至關重要的作用。最新最先進的線鋸技術帶來了很多創(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。

　　鋼線有兩個參數(shù)，一個是橢圓度，一個是磨損量。

　　你可以從這兩個方面考慮，鋼線經(jīng)過一次切割后會磨損變形，這是多次切割就會對硅片表面造成影響。

　　單向切割表面粗糙度一般在5微米內，雙向切割表面粗糙度會增加3——5倍。

　　這個也關系到你們的客戶是否接受的問題。

　　關于雙向切割，我們有兩種工藝：

　　一種是將整軸鋼線進多次切割，每次為單向切割，這種工藝我們使用在NTC機型上；

　　一種是一段線進行多次切割，這種工藝我們使用在MBDS264機型上。

　　其實心得談不上，我認為這是行業(yè)發(fā)展的必然結果。

　　要降低光伏發(fā)電成本，提高其競爭力，降低硅片成本是必須的。

　　硅片成本主要包括：

　　1、硅料成本；

　　2、加工成本，加工成本中又以漿料成本和鋼線成本為最高，為2——3元/片

　　雙向切割用線量為單向切割的一半，即降低成本1——1.5元/片，這對切片企業(yè)是相當誘人的，我們公司年產(chǎn)硅片2億片，那光這一項就可創(chuàng)造利潤2——3億。

　　硅料：分單晶和多晶。切割過程中，我認為硅棒對鋼線的作用主要是力的作用，徑向的壓力（工件平臺始終向下運動），摩擦力（阻礙鋼線橫向移動）；

　　漿料：切割過程中，我認為漿料對鋼線的傷害是很大的，也存在很多不確定因素。主要表現(xiàn)為磨損，降低鋼線的極限拉升強度。

　　綜上，硅棒對鋼線的作用力越大，漿料對鋼線的磨損越嚴重（極限拉伸強度越小），鋼線越易斷線。

　　注：多晶比單晶易斷線，因為多晶存在晶界，晶界的組成很復雜，由于硬度等關系，對鋼線的作用力是變化，瞬間超出極限拉伸強度的可能性較大。

　　漿料中雜質較多，顆粒不均勻，鋼線斷線的幾率也會提高。

　　斷線主要分布在

　　1、收放線部分。

　　1-1、滑輪磨損過大或被割穿，這個時候也許不會斷線！但是鋼線會纏在滑輪上！所以滑輪品質的穩(wěn)定性非常重要。

1-2、鋼絲的磨損過大也容易引起收線端斷線。

　　1-3、象樓上的兄弟所定義：拉伸強度超出了鋼線的極限拉伸強度，造成拉伸斷裂。所以滑輪的材質要選對，不能太硬

　　硅片表面偶爾出現(xiàn)單一的一條陰刻線（凹槽）或一條陽刻線（凸出），并不是由于碳化硅微粉的大顆粒造成的，而是單晶硅、多晶硅在拉制或澆筑過程中出現(xiàn)的硬質點造成線網(wǎng)波動形成的；

　　2. 硅片表面在同一位置帶有線痕，很亂且不規(guī)則，我認為是導輪或機床震動過大或者是多晶硅鑄錠的大塊硬質點造成的；

　　3. 重啟機床后第一刀出現(xiàn)線痕——機床殘留水分或液體，造成砂漿粘度低，鋼線粘附碳化硅微粉量下降，切削能力降低。

　　4. 調整新工藝、更換新型耗材后出現(xiàn)線痕：

　　① 砂、液比例不合適，或液體粘度太大，造成砂漿粘度太大或太小，砂漿難以進入線縫或碳化硅含量較低。

　　② 碳化硅切割能力差，無法與切割速度相適應。

　　③ 鋼線圓度不好，進入鋸縫砂漿量不穩(wěn)定。

　　④ 鋼線的張力太大或太小，造成鋼線攜帶砂漿能力差或線弓太小砂漿無法正常進入鋸縫。

　　⑤ 鋼線速度過快或過慢，造成砂漿無法粘附或切割效率下降，影響切割效果。

　　⑥ 各參數(shù)適配性差。

　　5. 硅片切割到某一段出現(xiàn)偏薄或偏厚的廢片，分界非常明顯，一般是由于跳線引起的，跳線的原因：

　　① 導輪使用時間太長，嚴重磨損引起的跳線。

　　② 砂漿的雜質進入線槽引起的跳線。

　　③ 導輪表面臟污。

　　④ 晶棒端面從切割開始到切割結束依次變長，造成鋼線受側向力而跳出槽外。

　　⑤ 晶棒存在硬質點，造成鋼線偏移距離過大跳出槽外。