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金刚线切割后的多晶技术在硅片端的发展方向
2021-04-10

2016年至今,金刚线切割已经在多晶领域得到充分利用,目前国内几家大的切片公司几乎90%的多晶切片都是金刚线切割,但面对平价上网的大趋势,如何进一步发挥多晶电池的高性价比优势,增强多晶硅太阳电池路线的竞争力受到业界的普遍关注。保利协鑫科技管理部总经理汪晨博士在10月18日的中国光伏大会上基于保利协鑫金刚线切多晶硅片及湿法黑硅制绒进展,分析了金刚线切单晶/多晶硅片的发展变化及存在的问题,并根据多年从业经验从硅片端指出未来的技术走向。
      金刚线切单晶/多晶硅片变化趋势
从2011年单晶尝试使用金刚线切割开始,仅用了四年的时间,2015年底国内单晶产能几乎全部实现金刚线的应用。
相比之下,多晶领域是在2012年开始研究金刚线的应用,直到2015年砂线机改造及切片才取得突破,为大规模应用奠定了基础;2016年结合添加剂/黑硅技术,金刚线切片产能渗透率大幅上升;汪晨博士做出预测,2018年全行业金刚线切多晶产能将达90%以上。
      从汪晨博士对比的金刚线硅片和砂线硅片可以看出:切割损耗是大幅度降低的,同时切片的进始速度也是大幅提升,产能基本上翻了一倍。虽然切片良率金刚线偏低,但良率低并不意味着出片数低,从出片数看金刚线切割高于砂线,因为金刚线表面比较光滑,它切割的时候损伤率更浅,所以它的TTV和损伤层下降,加工成本方面两个相差0.25元/片,但实际上包含硅耗在内的垂直成本差距达0.5元/片以上。
        金刚线的挑战
         金刚线的应用虽然给光伏行业带来机遇与进步,但也面临着挑战。早期应用的金刚线线径是120μm,到目前为止多晶已经大规模应用70μm线径的金刚线。单晶方面,60μm、65μm线切的金刚线正在更快得推广,*终可达到60甚至55μm。在汪晨博士看来,多晶也会紧跟着把线径降低。对此,金刚线本身的发展方向是高圆度即良好的线外径等效圆度、高耐磨即良好的自锐性、高密度即更多、更均匀的金刚石颗粒、低线径即更低的切割损耗、低断线即更好的抗扭转耐疲劳性能。
         硅片切片用金刚线有电镀线和树脂线,现阶段,电镀线占**统治地位。汪晨博士指出,后续树脂线可能会慢慢淡出,但树脂线也有机会通过技术改造降低与电镀线的差距,所以其不会完全被淘汰。
           金刚线多晶片的酸制绒问题
切割以后的多晶片在应用时主要存在的是酸制绒的问题,汪晨博士展示了金刚线和砂浆线制绒的形貌差异,金刚线酸制绒的表面特点是:损伤层浅、光亮表面的沟壑式结构。这使得它在具有VOC提升、钝化效果优、线痕浅、断栅风险低等优点的同时,也有起绒点少、表面陷光差、绒面均匀性差等难以避免的缺点。
             金刚线多晶硅片的制绒解决方案
目前金刚线多晶硅片的制绒解决方案有三个方向:制绒添加剂、湿法黑硅、干法黑硅。干法黑硅做出来效果*好,但其显著缺点是设备投入太大,还需要前后道设备的配合。其提升效率大概在0.4-0.6%,但单片成本稍高,为0.3-0.4元/片;
湿法黑硅电池效率提升0.3-0.5%,相对干法投入成本少,湿法黑硅技术的单片成本约为0.15-0.2元/片,仅为干法黑硅的一半左右,目前占市场份额比较大;与湿法黑硅技术相比,制绒添加剂法虽然也可解决金刚线切多晶硅片的制绒问题,但其外观表面有晶花,且对电池效率没有任何提升,电池效率甚至较砂线切割硅片略低,因此综合性价比不高
       协鑫湿法黑硅技术发展历程
汪晨博士回顾到,保利协鑫从2013年10月开始湿法黑硅实验室的建设,2015年5月完成实验室小试,12月份开始一条中试线投产,到2016年10月量产机设计完成,*终于2017年2月份在扬州正式投产其黑硅电池片生产线。2017年6月,扬州工厂产能达到300MW;10月,2GW(20条线)项目落成,预计11月份可以全部达产。
          协鑫湿法黑硅电池
汪晨博士为保利协鑫的产品感到自豪,“采用保利协鑫‘鑫绒面’技术制备的黑硅片,硅片表面孔型结构更优、电池转化效率更高、工艺稳定性好,产品外观无晶花困扰,整体绒面均匀。保利协鑫多晶黑硅片提升下游电池转化效率0.3-0.5%,可以为下游客户提供表面均匀、无晶花的**黑硅技术。”

汪晨博士表示,据多家电池客户批量反馈,TS系列黑硅片普遍可实现0.3%以上的电池效率提升,部分客户小批量电池效率增益超过0.35%,叠加PERC后效率增益(较多晶普通PERC)超过0.4%。
           协鑫湿法黑硅技术下的多晶组件
    采用保利协鑫黑硅片制备的组件,不仅组件外观更美观,其功率增益也比较明显,常规电池工艺下的湿法黑硅组件可达到280Wp以上。
      由于“背钝化”和“黑硅陷光”的结合,多晶黑硅叠加PERC技术后的效率提升比单纯使用黑硅、PERC的效率增益之和还要高,起到了“1+1>2”的效果。综合可知,金刚线切多晶硅片+湿法黑硅+PERC组合可以显著提升多晶产品的性价,为285-290Wp/60片多晶组件的制备提供了可靠技术途径。
      与砂线切+普通电池工艺的单位成本(单位:元/瓦)相比,金刚线切多晶+湿法黑硅+PERC的电池制造成本仅为其92.7%,而金刚线切多晶+添加剂制绒+PERC则为其93.5%,金刚线切多晶+湿法黑硅+PERC组合提升了性价比。
      汪晨博士认为,虽然金刚线切割技术、湿法黑硅技术具有很大潜力,但后续多晶技术也不完全只依赖于此,在晶体生长环节还要持续进步。
         晶体生长环节持续进步

下一代高效多晶产品开发
保利协鑫研发团队的小试实验显示:基于黑硅+PERC工艺,试验片在客户端电池产线效率可达20.45%以上,60片电池的组件主流档位可达290W以上。后续需要进行的,一方面是晶体生长工艺的持续研发改进,控制长晶后期的位错增值,提升一定的质量。另外一方面是配合PERC工艺,确定*佳目标电阻率以及电阻率范围。

类单晶技术方向持续研发
保利协鑫为类单晶的技术进步已经投入了数年的精力和巨大的研发费用。客户端反映,类单晶采用单晶碱制绒,效率与直拉单晶相比差距约为0.6%,但在效率分布上,其低效比例高达3.2%(<19.2%),这是需要后期持续改进的。另外也存在铸锭单晶或者类单晶在生产阶段位错增殖过快,控制难度高;铸锭良率偏低;电池外观存在晶花等问题需要解决。
从汪晨博士的分析可以总结成以下几个要点:
1、金刚线切割多晶硅片+黑硅技术的普及将再次拉大多晶与单晶在硅片端的成本差距;
2、金刚线切多晶硅片+黑硅技术+PERC电池工艺的组合可以进一步提升多晶硅电池的量产效率,增强多晶硅太阳电池路线的竞争力;
3、预计光伏市场对电池及组件成本降低以及效率提升方面的需求,将为金刚线切割和黑硅技术带来良好的市场机遇;
4、铸锭技术的持续进步,可持续提升多晶硅片尤其是金刚线多晶硅片的性价比

如何区分中走丝、慢走丝、中走丝  在日常生活中,我们常常听说中走丝、慢走丝、中走丝,对于业内人来说,可能是非常的简单,但是对于业外人来说,不知道三者之间到底应如何区分?  首先,中走丝、慢走丝、中走丝都是指的电火花中走丝线切割机床。电火花中走丝线切割(WirecutElectricalDischargeMachining简称WEDM).  1.什么是中走丝中走丝线切割,中走丝电火花中走丝线切割机(Medium-speedWirecutElectricalDischargeMachining简写MS-WEDM),属往复高速走丝电火花中走丝线切割机床范畴,是在高速往复走丝电火花中走丝线切割机上实现多次切割功能,被俗称为“中走丝中走丝线切割”。中走丝技术在这里指出,所谓“中走丝”并非指走丝速度介于高速与低速之间,而是复合走丝中走丝线切割机床,即走丝原理是在粗加工时采用高速(8-12m/s)走丝,精加工时采用低速(1-3m/s)走丝,这样工作相对平稳、抖动小,并通过多次切割减少材料变形及钼丝损耗带来的误差,使加工质量也相对提高,加工质量可介于高速走丝机与低速走丝机之间。因而可以说,用户所说的“中走丝”,实际上是往复走丝电火花中走丝线切割机借鉴了一些低速走丝机的加工工艺技术,并实现了无条纹切割和多次切割。  中走丝技术在实践中得出,在多次切割中第一次切割任务主要是高速稳定切割,可选用高峰值电流,较长脉宽的规准进行大电流切割,以获得较高的切割速度。第二次切割的任务是精修,保证加工尺寸精度。可选用中等规准,使第二次切割后的粗糙度Ra在1.4~1.7μm之间。为了达到精修的目的,通常采用低速走丝方式,走丝速度为1~3m/s,并对跟踪进给速度限止在一定范围内,以消除往返切割条纹,并获得所需的加工尺寸精度。第三次、第四次或更多次切割(目前中走丝控制软件*多可以实现七次切割)的任务是抛磨修光,可用*小脉宽(目前*小可以分频到1μs)进行修光,而峰值电流随加工表面质量要求而异,实际上精修过程是一种电火花磨削,加工量甚微,不会改变工件的尺寸大小。走丝方式则像第二次切割那样采用低速走丝限速进给即可。中走丝技术在加工过程中,多次切割还需注意变形处理,因为工件在中走丝线切割加工时,随着原有内应力的作用及火花放电所产生的加工热应力的影响,将产生不定向、无规则的变形,使后面的切割吃刀量厚薄不均,影响了加工质量和加工精度。因此需根据不同材料预留不同加工余量,以使工件充分释放内应力及完全扭转变形,在后面多次切割中能够有足够余量进行精割加工,这样可使工件*后尺寸得到保证。  2.中走丝是电火花中走丝线切割的一种,也叫高速走丝电火花中走丝线切割机床(WEDM-HS),其电极丝(一般采用钼丝)作高速往复运动,走丝速度为8~10m/s,电极丝可重复使用,加工速度较高,走丝容易造成电极丝抖动和反向时停顿,使加工质量下降,是我国生产和使用的主要机种,是我国**的电火花中走丝线切割加工模式。1960年,苏联首先研制出靠模中走丝线切割机床。中国于1961年也研制出类似的机床。早期的中走丝线切割机床采用电气靠模控制切割轨迹。当时由于切割速度低,制造靠模比较困难,仅用于在电子工业中加工其他加工方法难以解决的窄缝等。1966年,中国研制成功采用乳化液和中速走丝机构的高速走丝中走丝线切割机床,并相继采用了数字控制和光电跟踪控制技术。此后,随着脉冲电源和数字控制技术的不断发展以及多次切割工艺的应用,大大提高了切割速度和加工精度。  2.低速走丝中走丝线切割机电极丝以铜线作为工具电极,一般以低于0.2m/s的速度作单向运动,在铜线与铜、钢或超硬合金等被加工物材料之间施加60~300V的脉冲电压,并保持5~50um间隙,间隙中充满脱离子水(接近蒸馏水)等绝缘介质,使电极与被加工物之间发生火花放电,并彼此被消耗、腐蚀,在工件表面上电蚀出无数的小坑,通过NC控制的监测和管控,伺服机构执行,使这种放电现象均匀一致,从而达到加工物被加工,使之成为合乎要求之尺寸大小及形状精度的产品。目前精度可达0.001mm级,表面质量也接近磨削水平。电极丝放电后不再使用,而且采用无电阻防电解电源,一般均带有自动穿丝和恒张力装置。工作平稳、均匀、抖动小、加工精度高、表面质量好,但不宜加工大厚度工件。由于机床结构精密,技术含量高,机床价格高,因此使用成本也高。单向走丝电火花中走丝线切割机床早期只有国外公司的独有机种。台湾的低速走丝电火花中走丝线切割机起步虽然较晚,但这几年来发展迅速。其关键的一个举措就是由若干家电加工机床制造企业共同出资,在有关部门一定限度的支持下,由台湾工业技术研究院投入大量的人力、物力做关键技术的开发。经过10多年的攻关,在控制系统及电源等关键技术上取得了突破。台湾各企业制造的低速走丝电火花中走丝线切割机目前应属中档机的范围,近3年每年达到20%~30%的增长率,估计未来5年,台湾低速走丝电火花中走丝线切割机的年产量能达2000台,可占世界市场的25%以上。低速走丝电火花中走丝线切割机的技术含量高、市场前景好,可以获得较高的回报,是电加工行业各个厂家的“必争之地”、“战略高地”。也可以说,谁掌握了低速走丝电火花中走丝线切割机的技术,谁就获得了下一步企业发展壮大的机遇。为了抢占中国市场,日本、瑞士、台湾的电加工机床制造企业在中国大陆设厂生产这类机床。我国的科技工作者在科技部专项基金的支持下,投入了较大的研发力量,已完成新一代低速走丝电火花中走丝线切割机的研发,取得了重大突破,目前已拥有了具有自主知识产权的产品,并占领了一定的市场份额,其性能指标可达中档机水平。目前还有一些国内企业则希望通过与台湾相关企业的合作,来发展低速走丝电火花中走丝线切割加工技术。  与单向低速走丝电火花中走丝线切割机床相比,往复高速走丝电火花中走丝线切割机床在平均生产率、切割精度及表面粗糙度等关键技术指标上还存在较大差距。针对这些差距,本世纪初,国内有数家高速往复走丝电火花中走丝线切割机生产企业实现了在高速走丝机上的多次切割加工(该类机床被俗称为“中走丝”MediumSpeedWirecutElectricalDischargeMachining)。所谓“中走丝”并非指走丝速度介于高速与低速之间,而是复合走丝中走丝线切割机床,其走丝原理是在粗加工时采用8-12m/s高速走丝,精加工时采用1-3m/s低速走丝,这样工作相对平稳、抖动小,并通过多次切割减少材料变形及钼丝损耗带来的误差,使加工质量也相对提高,加工质量可介于高速走丝机与低速走丝机之间。因而可以说,用户所说的“中走丝”,实际上是往复走丝电火花中走丝线切割机借鉴了一些低速走丝机的加工工艺技术,并实现了无条纹切割和多次切割。经过几年的发展,国内几乎所有生产高速走丝电火花中走丝线切割机床的厂家都在生产及销售中走丝,但*终表明不是所有的往复走丝电火花中走丝线切割机都能进行多次切割,或者说不是所有的往复走丝电火花中走丝线切割机采用多次切割技术后都能获得好的工艺效果。多次切割是一项综合性的技术,它涉及到机床的数控精度、脉冲电源、工艺数据库、走丝系统、工作液及大量的工艺问题,并不是简单地在高速走丝机上加上一套运丝变频调速系统即可实现的,只有那些制造精度高,并在诸方面创造了多次切割条件的往复走丝电火花中走丝线切割机才能进行多次切割和无条纹切割,并获得显著的工艺效果。因此我们的生产企业必须充分注意到这个问题,一定要按系统工程来做,真正把这一技术用好,把这一产品做好。如目前已有一些企业为进一步提高机床本体精度,X、Y坐标工作台采用了直流或交流伺服电机作驱动单元直接驱动滚珠丝杠,同时采用了带螺距补偿功能的全闭环控制,可以利用数控系统对机床的定位精度误差进行补偿和修正。在保证精度的前提下,减小因长期使用而导致的加工精度下降,延长机床的使用寿命。运丝系统方面采用特殊(大多数采用金刚石)电极丝保持器,保持电极丝的相对稳定,减小加工过程中电极丝的张力变化。冷却系统方面改变常用的粗放冷却方式,采取多级过滤并对介电常数等关键参数加以控制,确保精加工的顺利进行。控制软件方面提供开放的加工参数数据库,可以根据材料的质地、厚度、粗糙度等条件选择对应的加工参数。相信经过我们的努力,多次切割技术将会更加完善,往复走丝电火花中走丝线切割加工技术也将得到更好的应用和发展。往复走丝电火花中走丝线切割机采用多次切割技术后,虽加工质量有明显提高,但它仍然属于高速走丝电火花中走丝线切割机的范畴,切割精度和光洁度仍与低速走丝机存在较大差距,且精度和光洁度的保持性也需要进一步提高。“中走丝机”具有结构简单、造价低以及使用消耗少等特点,因此也有其生存的空间,目前执行的标准仍然是高速走丝机的相关标准,因此生产企业在对用户的宣传上要注意,一定要实事求是。 推荐文章(来源百度

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