太阳能用晶体硅片切割技术

0 引言

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75 GW，新增装机量增速为41%；累计装机量超过303 GW，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。从切割技术的核心要素出发，其改善方向主要围绕如何减小切缝损失、降低硅片厚度、增大切片尺寸、提高切割效率等方面进行。本文结合这些切割参数，阐述硅片切割技术的发展历史及发展现状，并对硅片切割技术未来的发展趋势进行展望。

1 太阳能用晶体硅片切割技术的发展历史

太阳能用晶体硅片主要包括多晶硅片和单晶硅片，由其制备的太阳电池占整个光伏市场的90%以上。硅片的生产流程包括：晶体生长→单晶硅棒截断(或多晶硅锭开方)→硅棒检验→硅棒切磨→硅棒粘胶→硅棒切片→硅片清洗→硅片分选包装，其主要流程如图1所示。

图1 硅片生产流程示意图

多晶硅锭是在多晶硅铸锭炉中将硅料熔化，通过定向凝固再生长而成，目前主流的多晶硅锭尺寸为1000 mm×1000 mm×370 mm。多晶硅锭通过多线开方机加工成36根方棒，方棒经过检验，利用带锯将头尾不合格的区域去除，再对合格区域进行切磨、粘胶和切片作业。

单晶硅棒是在单晶炉内将硅料熔化，通过直拉法拉制而成，目前主流的单晶硅棒直径为8.5英寸，长度超过2000 mm。单晶硅棒通过线截断机将其截断成一定长度的圆棒，再用多线开方机加工成小方棒，小方棒通过滚磨工序消除亚表面损伤和几何不规则后，再进行粘胶和切片作业。

太阳能用晶体硅片切割技术是一种特殊的机械加工技术，是在传统机械加工的基础上建立起来的。随着太阳电池技术的飞速发展，硅片的厚度、切割精度及其生产成本越来越受到关注。一直以来，硅片生产厂家都在围绕上述问题进行探索，取得了巨大突破，带动了硅片切割技术的飞速发展。下文主要介绍外圆切割技术、内圆切割技术和多线切割技术。

1.1 外圆切割技术

20世纪80年代前中期，大部分硅片切割采用外圆切割或内圆切割的方法。外圆切割机分为卧式和立式两种，主要结构包括主轴系统、工作台进给系统、电气控制系统和冷却系统等，其中，主轴系统和工作台进给系统是核心。所用刀片基体是用粉末冶金压制而成，在其外圆周上镀一层金刚砂，刀片安装在主轴上面，用它对材料进行切割，可以实现单刀切割或多刀切割[4-6]，其示意图如图2所示。

瑞士Meyer-burger AG公司生产的TS-121型数控外圆切片机备有直径为375 mm的圆形工作台，可容纳250～400 mm的大直径刀片，切割精度为 1 μm。

图2 外圆切割机示意图

外圆切割晶体硅片时，由于刀片较厚和高速旋转带来的侧向摆动，出现硅料损耗较大、断面不平整和崩边等问题，导致该种切割机很快被内圆切割机代替。

1.2 内圆切割技术

内圆切割机与外圆切割机类似，其刀片的外圆部分有多个小孔，螺栓通过小孔将刀片安装固定在刀盘上面。切割材料的位置在刀片的内圆部分，其内侧边缘电镀有一层金刚石颗粒[6-7]。内圆切割时，通过高速旋转的刀片与被切材料之间的摩擦，达到切割的效果，其切割示意图如图3所示。

图3 内圆切割机示意图

日本Tokyo Semitsu株式会社生产的S-LM-434DR型数控内圆切片机是一种硅棒自身旋转切割的万能内圆切片机，可用来切割200 mm×200 mm的方形棒料，加工精度较高，刀片寿命高。

相比于外圆切割，内圆切割具有刀片稳定性好、切割的硅片表面粗糙度小、切缝小等优点。常规的内圆切缝可以达到300 μm左右，切割硅料的直径主要为150～200 mm，最大直径可以达到300 mm[8-9]。随着硅片尺寸的增大，内圆高速旋转带来的硅表面损伤和裂纹愈发严重，通常还会产生较大的翘曲变形，这些缺点限制了内圆切割的应用。

1.3 多线切割技术

多线切割技术是目前世界上比较先进的硅片加工技术，在2003年以前，多线切割主要用于半导体行业，相应的切割技术也主要掌握在欧洲、美国、日本、中国台湾等国家和地区。2003年之后，随着光伏行业的爆发式增长，切割太阳能用硅片的多线切割机数量开始爆发式增长，相关的技术研究也开始广泛兴起。多线切割方式分为砂浆钢线切割和金刚线切割，其切割示意图如图4所示。

图4 多线切片机切割示意图

1.3.1 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 µm，钢线运动线速度可达1000 m/min，切割进给速度为0.1～2.5 mm/min，单次切割硅棒长度达600 mm，单次出片数可达1800片，耗线量约为10 m/片。

1.3.2 金刚线切割技术

近年来，硅片价格一路走低，如何降低成本和提高生产效率已成为光伏产业发展亟需解决的问题，硅片的切割成本控制成为各企业关注的重点[10]。金刚线切割作为新的切割技术，具有薄片化切割、切口损失小、加工效率高、污水排放少等优势，既可大幅降低硅片生产成本，又能提高硅片品质。从2015年开始，单晶硅因为晶向一致，硬质点少等优点，较早实现了金刚线切割替代砂浆钢线切割。金刚线切割技术的使用，使得单晶硅片成本大幅下降，提高了单晶硅片的性价比，使其市场份额得到较大提升；在多晶硅片领域，随着2016年下半年黑硅技术及PERC等高效电池技术的逐渐成熟，其解决了金刚线切割多晶硅片的表面制绒问题，带来了金刚线切割应用的井喷式发展。

金刚线切割和砂浆钢线切割的基本区别是，前者是将金刚石采用粘结和电镀的方式固定在钢线上进行高速往返切削，而后者的切割方式是游离式的切割模式，通过线网带动悬浮的碳化硅进行磨削切割，两者切割示意图如图5所示。与砂浆钢线切割相比，金刚线切割速率快、出片率高，大幅降低了切片生产成本，且切割过程中无需使用碳化硅粉，使用水性冷却液代替切割液，切割环境更为环保。目前，金刚线切割使用的钢线线径为65 µm，切缝损耗约为85 µm，在硅片厚度相同的情况下，单位长度硅棒出片率提高了20%；同时金刚线切割硅棒的速率超过1.4 mm/min，为砂浆钢线切割速率的2倍多。产量的提升，加上辅材成本的降低，金刚线切片成本较砂浆钢线切片降低了25%以上。

图5 硅片切割示意图

按照制作工艺，金刚线可分为电镀金刚线和树脂金刚线。电镀金刚线是以电镀金属为结合剂，通过金属的电沉积作用将金刚石磨料固结在钢线基体上，其中金刚石磨料的尺寸一般为几微米到几十微米。树脂金刚线是先将液态树脂和金刚石粉末均匀搅拌混合，再使其均匀附着于钢线上，最后经过特殊技术烘烤制成。电镀金刚线的金刚石与基体结合力强、耐磨性好、切割能力强。在目前的晶体硅切片技术中，电镀金刚线切割具有单片耗线量低、线径规格更小、切割效率更高等优点，该设备的使用量大幅高于树脂金刚线，发展潜力也更大。截至2017年底，电镀金刚线占据金刚线市场的95%以上。

青岛高测科技生产的GC-700型专用金刚线切片机是目前国内金刚线切割机市场占有率最高的国产机型，其使用钢线的线径可达60 µm，钢线运动线速度最大可达1800 m/min，切割送料速度为1.0～3.0 mm/min，单次切割硅棒长度达850 mm，单刀出片数达3000片，耗线量低于1.5 m/片。

2 晶体硅片切割技术的发展趋势

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156.0 mm×156.0 mm全部切换到156.75 mm×156.75 mm，单片功率提高近1%，可以预测的是，更大面积硅片的使用(如161.75 mm×161.75 mm)能更好地满足市场发展的需求，其使用也会很快到来。161.75 mm×161.75 mm的硅片相比于156.0 mm×156.0 mm的硅片，其边长只增加5.75 mm，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 μm降低到目前的170～200 μm，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 μm，未来将向160 μm甚至是140 μm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。

2.1 金刚线切割技术

从硅片切割材料角度来看，金刚石的摩氏硬度为10，碳化硅的摩氏硬度为9.5，晶体硅的摩氏硬度为7，金刚线切割相比砂浆钢线切割具有更大的切割能力。金刚线切割除了具有钢线耐磨性好、切割速度快、出片率高等优点外，还具有以下特点：1)金刚线切割线速度基本在20 m/s以上，接近砂浆钢线切割线速的2倍；2)金刚线切割硅片的表面损伤层厚度为7～10 μm，比砂浆钢线切割硅片的损伤层厚度要低约5 μm；3)目前主流的金刚线线径为65 μm，比砂浆钢线要细近50 μm。这些优点决定了金刚线切割比砂浆钢线切割有更强大的生命力。在切割技术发展的同时，金刚线切割设备和金刚线质量也在不断发展，金刚线切割技术还有更大的优化空间。

2.1.1 金刚线切割设备的发展

早在2009年，金刚线切割硅片的研究率先在日本取得应用。在2011年上海第五届国际太阳能产业及光伏工程展览会上，日本东京制钢公司展出其最新研制的T-8253B型金刚线切割机，该机型线速度可达1000 m/min。同时，瑞士Meyer-burger公司也推出了DS265金刚线切片机，其性能也十分优越。而国内金刚线专用切割设备从2012年才开始投入研发，到2014年才陆续有产品问世，如大连连成的QPJ1660C型专用机，青岛高测的GC-630型金刚线切割设备。从2014年开始，在切割工艺的进步、使用效率的提升及各方面成本控制的综合助推下，金刚线切割硅片的优势逐渐得以体现，到2015年进入发展的黄金期，各种设备机型也纷纷出现。

值得一提的是，在向金刚线切片转型的过程中，国内主流切片企业纷纷开始研究如何将砂浆钢线切片机直接改造成金刚线切片机，并取得了巨大的成功，避免了原先砂浆钢线切割设备的闲置，同时降低了金钢线切割设备的引入成本。对于金刚线切割，导轮轴间距和切割线速度是体现切割能力的两项重要数据，轴间距越小则切割质量越好，而线速度越大则切割力越强，设备改造的主要方向是降低设备的轴间距和增加线速度。国内最先完成对日本生产的NTC442D机型的改造，也是改造最成功的机型，其改造后加工硅片的切割时间、良品率和耗线量等参数与专用机不相上下。此后，MB271机型、PV800机型和B5机型也陆续改造成功。表1是不同型号金刚线切割设备的主要参数，NTC442D改造机在主要设备参数方面较专用机还有一些差距，最大线速度只有1500 m/min，制约了其进一步的发展，但改造砂浆机的成本约为20万，仅为专机投资成本的1/10，性价比高。另外，国内金刚线专用机和国外专用机在各项参数上还是比较接近的，根据目前的使用情况看，国外专用机的稳定性要强于国产机，但国产专用机在价格上更具竞争力。

表1 金刚线切割设备的主要参数

从金刚线切割设备的发展趋势来看，减少导轮轴间距和提高切割线速度仍是设备发展的主要方向。减小轴间距能够提高线网运转的稳定性，改善硅片总厚度公差等指标；提高切割线速度能够降低切割时间和工艺线耗，降低整体成本。然而，减少轴间距和提高线速度又是相互制约的，这需要设备具有性能优越的轴承箱设计、更优异的张力控制方案和更稳定的导向轮设计等。未来一定时间内，金刚线切割设备将向着主辊直径180 mm、主轴间距370 mm、线速度2500 m/min的方向靠近。

2.1.2 金刚线的发展

金刚线早在2007年已经被研发成功，日本的旭金刚石等企业于2007年推出了成熟的金刚线产品。国内金刚线的研发起步较晚，从2009年才开始相关的研究生产。从2015年开始，随着金刚线切割在光伏领域的推广使用，金刚线生产企业如雨后春笋般地发展起来。目前，国内外生产金刚线产品的有贝卡尔特集团、盛利维尔(中国)新材料技术有限公司、杨凌美畅新材料股份有限公司、浙江东尼电子股份有限公司、长沙岱勒新材料股份有限公司、开封恒锐新金刚石制品有限公司、河南恒星科技股份有限公司、青岛高测科技股份有限公司、江苏亿荣新材料科技有限公司等近20多家企业。在2015年以前，日本企业在金刚线领域凭借领先的技术优势，一直处于垄断地位，导致国内同类产品主要依赖进口，成本较高。为了打破日本企业的技术垄断，国内多家金刚线企业加大研发投入力度，通过自主设计研发的生产线，大幅提高了生产效率并降低了生产成本。如今，我国企业自主生产的金刚线产品在技术工艺和品质方面已可以完全替代日本产品。图6是国内4家金刚线制造商生产的金刚线显微图片，从图片中金刚石的粒径及分布来看，不同制造商之间的技术还存在差距，制造商1生产的金刚线产品质量优于其他3家制造商。

图6 不同厂家生产的金刚线显微图

硅片的发展对金刚线的质量和成本控制也提出越来越高的要求，为配合硅片向大尺寸化和薄片化的发展，金刚线切割的发展将朝着高品质、低成本和细线化的方向发展。在品质控制方面，高密度、高耐磨、高圆度是未来金刚线的发展趋势，高品质的金刚线能实现更快速切割的同时减少断线率。金刚线生产企业主要通过金刚线的直径、出刃率、出刃高度等参数的调整来实现高品质的金刚线生产。在成本控制方面，随着金刚线产能的增加，必然引发激烈的价格战，金刚线高额的毛利率将不可持续，金刚线市场价格很可能在2020年降到0.08元/m。金刚线生产企业需要加强技术研发，降低生产成本，保持市场竞争力。在细线化方面，金刚线的线径由2010年的140 μm降至目前部分单晶厂商使用的60 μm，每kg硅棒切出的硅片约增加15片，单片切割成本下降约0.5元。金刚线细线化已然是当前硅片切割技术的发展趋势，预计2018年下半年单晶切片将批量使用50 μm电镀金刚线，多晶切片将批量使用60 μm电镀金刚线，电镀金刚线的线径和价格变化趋势如图7所示。

图7 电镀金刚线的线径与价格变化趋势图

目前，树脂金刚线在硅片切割领域的市场占有率较低，发展形势也不明朗。其与电镀金刚线的差别之处在于：金刚石颗粒的固定方式不同、金钢线颗粒数不同、成品线破断力的差异、成品线径不同。电镀金刚线在制造过程中，镀层由镀铜底层、金刚石磨粒层和镀镍外层复合而成，生产周期长，成本高。而树脂金刚线采用树脂涂覆固化工艺，生产周期短，成本低。在直径粗细相同的条件下，树脂金刚线的破断力、固结强度和耐磨性均低于电镀金刚线，限制了其在晶体硅切割中的使用。图8为国际光伏线路图(ITRPV2018)分析的单晶硅片切片技术路线[11]，树脂金刚线在单晶硅片切割领域占比约为5%～8%，在多晶硅片切割领域应用更低。树脂金刚线未来的研究方向主要围绕增加金刚石和钢线的附着力、提高切割能力等方面开展[12-13]。

图8 单晶硅片切片技术[11]

2.2 电火花线切割技术

电火花线切割(WEDM)的基本原理是以快速移动的细金属导线(铜丝或钼丝)作电极，通过其与工件之间产生的脉冲电火花的瞬间高温，将工件材料局部熔化或气化，从而实现工件切割的一种方式[14-15]。在切割过程中，通过计算机进给控制系统实现加工进给，使用一定浓度的水基乳化液等工作液对工件进行冷却排屑，是一种非接触式、宏观加工力很小的加工方式。电火花线切割机床分为低速走丝(WEDM-LS)与高速走丝(WEDM-HS)两大类。WEDM-HS的走丝速度可达8～10 m/s，电极丝可重复使用，最高切割效率可达600 mm/min，具有切割效率高、表面裂纹少、切缝宽度小且可获得较薄的切割厚度等优势[6,16]。与WEDM-LS相比，WEDM-HS更适合太阳能用硅片的切割。

近年来，由于光伏产业的迅速发展，国内外针对硅片切割技术的应用需求增加，对放电切割也进行了大量研究[16-17]。研究证明，用电火花线切割法所获得的硅片厚度最低可达120 μm，硅片厚度差异和翘曲度也可满足电池片制备的要求。电火花切割的缺陷是切割时电极丝容易断，快速走丝过程中易产生抖动，影响加工精度，并且加工效率较低等。总体而言，电火花线切割技术可提高材料的利用率，促使太阳电池成本的降低，但其距离产业化应用还需相当长一段时间。

2.3 激光切割技术

激光切割技术工作原理是利用高能激光束照射在工件表面，使被照射区域局部熔化和气化，从而实现材料的切割。该技术主要用于金属材料及硅、锗、砷化镓和其他半导体衬底材料的划片和切割，可加工太阳电池板、硅片等。激光切割是非接触式的，对工件本身无机械冲压力，工件不易变形，划片精度高，切边光滑，可极大地提高加工效率和优化加工效果，并且无噪音、无污染。

近年来，利用激光微加工硅和蓝宝石等半导体材料已受到越来越多的关注，硅片在半导体行业的应用正在变得越来越薄，薄硅片的开发是目前半导体研究的共同目标 [18-20]。目前，激光切割可实现100 μm厚的硅片加工。虽然激光切割具有很多优势，但在加工过程中也存在一些问题，如材料溅射重凝、产生热影响区、裂纹和晶粒强化等。激光对材料切割机理决定其很难消除热影响区，而过大的热影响区会降低硅片性能；同时，加工过程中材料受到过大热应力也会产生无规则断裂和炸裂。

虽然在薄硅片和多层复合材料方面，激光切割比传统的金刚石切割有更大的优势，更适合工业化应用。但在太阳能用硅片切割领域，从目前激光切割机的使用情况看，一般只用于电池片的划片，由于运行成本较高和激光切割本身的缺陷，在太阳能用硅片切割方面还未得到广泛使用。

3 总结

随着光伏技术的应用需求不断扩大和硅原料供应的短缺，如何降低成本、提高生产效率已成为光伏产业发展亟需解决的问题。硅片成本占据晶体硅组件成本的20%以上，降低硅片切割成本和减少切割硅料损耗是光伏产业降本增效的有效手段之一。本文介绍了传统外圆切割和内圆切割技术的特点，对比分析了砂浆切割和金刚线切割的技术特点，并重点阐述了金刚线切割的技术优势和发展潜力。未来的切割技术将向着切割大尺寸和更薄的硅片方向发展。预计电镀金刚线切割技术仍将是未来十几年内的主流切割技术，切割设备的不断改进和金刚线质量的提高，是金刚线切割技术发展的主要途径。