太阳能硅片切割技术的研究

时间:2017/9/30 14:11:00 来源:本网 添加人:admin

  激励以及机械结构方面的影响,导致其在切割过程中不可避免产生变形与振动,从而对切割的硅片产生瞬间性冲击。因此要使目前的大尺寸硅片切割厚度从300m左右进一步降低,并减少切缝损耗,实现低成本高效切割,技术难度相当大。所以开展大尺寸超薄硅片切割方法的创新研究,己成为当前太阳能晶硅电池行业降低生产成本和提高生产效率的迫切需求。太阳能硅片目前比较成熟的切割方法主要有:内圆切割(Dsaw)和线切割(Wiresaw)我国对硅片切割技术和装备研究起步较晚,尤其是多线切割技术与国外技术水平相比差距较大,目前还未有成熟产品面市,还难以满足市场应用的需求。

  作为一种取之不尽的清洁能源,太阳能的开发利用正引起人类从未有过的极大关注。商业化太阳能电池采用的是无毒性的晶硅,单晶和多晶硅电池的特点是光电转换效率高、寿命长且稳定性好,但成本较高。随着半导体制造技术的不断成熟完善,硅片制造成本不断降低,但是太阳能电池所用硅片的切割成本一直居高不下,要占到太阳能电池总制造成本的30%以上。虽然目前己能采用多线锯切割方法生产出面积较大(25cmX25cm)而又较薄的硅片,但由于多线锯切割方法中金属丝受到多种力的第一:刘志东,男,1966年生,副教授。

  1太阳能硅片常规切割方法太阳能硅片目前常规的切割方法主要有:内圆切割(Dsaw)和多线切割(Wiresaw)。其切割原理及设备如、所示。内圆切割时,圆盘型刀片外圆张紧,利用内圆刃口边切割硅锭。但由于刀片高速旋转会产生轴向振动,刀片与硅片的摩檫力增加,切割时会产生较大的残留切痕和微裂纹,切割结束时易出现硅片崩片甚至飞边的现象;作为目前硅片切割主流技术的多线切割,其切割过程是以钢丝带入切缝的金刚砂粒对硅材料进行切磨作用,金刚砂切磨硅材料时产生的切削力会对脆性硅材料表面产生冲击,同样使得大尺寸超薄硅片切割非常困难5,。

  多线切割原理和设备为了使大尺寸硅片切割厚度进一步降低,并减少切缝损耗,国内外许多研宄机构和学者对硅片放电切割技术做了深入的研宄。低速走丝电火花线切)切割硅片的技术在国外已有报啁6~101,日本冈山大学则采用类似我国高速走丝电火花线切割(HSWEDM)方式,仍以去离子水为工作介质,采用晶体管脉冲电源并以高熔点钼丝进行单晶硅棒切割研宄,研制出多线放电切割原理样机121.该方法的依据是取向生长法形成的单晶硅锭电阻率低(0.01.),使HSWEDM用于切割硅锭成为可能。用HSWEDM加工所获得的硅片总厚度变化(TV)和弯曲程度(Warp)与多线切割的结果几乎一样。切缝造成的硅材料损失大约为250 /,与多线切割法得到的数值相当。

  近年来,国外一些大学针对硅片切割的应用需求,也做了一些相关研宄。比利时鲁汶大学、美国内布拉斯加大学均开始探索采用LSWEDM进行了硅片切割,利用正极性加工(工件接电源正极)两极之间加上直流脉冲电压;在正极进电端,采用金属与硅材料直接靠压紧进电,为提高回路电流,可以适当增大接触压力,或者在硅材料表面涂镀金属导电层,以提高进电金属面与硅材料的有效接触面积;在负极端,电极丝垂直纸面向左运动,与硅材料之间在伺服系统的控制下保持一定的放电间隙,维持正常放电;为限制电流过大烧毁电源或功率器件,需要在回路中串联限流电阻Rl. 2.2电路模型的建立对于电加工电路而言,被加工材料通常可以看作是组成整个电路的一个元器件。例如导电性能良好的金属通常被认为没有电阻,它的电学特性只与放电端接触部分介质性质以及电源的负载特性有关。而对于半导体材料而言则存在很大差异,首先,半导体本身具有一定的电阻率,它的体电阻不能忽略,并且随着电极丝与材料的接触面积以及电极丝与进电位置的相对改变而变化,因此导致了现在大部分半导体材料尤其是高电阻率半导体材料(1 ~100cm)采用放电加工的方法加工效率特别低甚至不能加工;其次,半导体材料在与其它材料接触时,由于材料的功函数不同,当与其它材料发生接触时会形成不同接触势垒(肖特基势垒)产生很大的接触电阻,接触电阻通常具有很大的非线性,变化范围很大,加工时必须克服此接触势垒才能产生正常放电;第三,在对半导体材料进行放电加工时由于复合工作液的导电性,以及接触面接触势垒的存在,因此会在接触面形成电解和发热现象,产生不导电的钝化膜和氧化膜,使接触电阻陡然增加,阻碍电能的输入,使放电加工无法延续;上述问题均使得半导体的电加工产生了很大的的难度。

  P型硅电加工电路原理图首先,极间放电维持电压5是由放电通道的性质决定的,其性质只是与极间介质的性质有关,因此可以类比线切割加工金属时的极间性质,其极性与加工的极性有关,在电路中始终处于反向偏置状态,其放电的维持电压在20V左右。

  其次,6、8为半导体与其他材料之间的接触表示状态,由于半导体与其他接触物质的费米能级不同,在接触面产生一定的接触势垒,其值等于它们的功函数之差。它们通常具有单向导通电特性,可以用二极管表示它们的电路符号,当半导体为P型材料时,半导体为阳极,二极管指向进电材料和电极丝,由此可以看到对于半导体,放电的击穿电压应该由6、8以及极间介质的击穿电压和在体电阻7上的压降和组成,同时其放电的维持电压也应该由这几部分组成,所以半导体正常加工的放电及维持电压均远远高于普通金属电火花线切割时的电压。

  第三,对于体电阻7而言,在放电加工过程中也成为一个不可忽视的因素,由于其大小与半导体的电阻率、体积大小、放电的接触面积、放电的位置及半导体本身的温度均有关,因此在放电过程中,它是一个变化的因素,必然对放电的稳定性和效率产生影响。

  第四,对于工作液电阻9、10而言,在对半导体材料的切割中,由于工作液导电能力与半导体相当甚至高于半导体,己成为一个不能忽略的因素。在放电切割过程中由于半导体2与进电金属4之间工作液的存在,一旦在2与4之间不能形成接触电阻较小的欧姆接触,而形成肖特基接触,此时2与4之间的接触电阻将大于或者与工作液电阻9处在相当的数量级,那么在2与4之间必然会产生电解效应以及由于接触电阻增加而产生的发热现象,导致放电切割能量比例降低、进电点发热、形成阳极(进电金属)溶解或接触点因为发热导致的氧化。对于工作液电阻10而言,由于半导体的放电切割电压大大提高,因此如果其绝缘性降低也会导致直接在两极间产生电解作用而不会形成放电。为了避免进电点在放电切割过程中产生电解和发热问题,从而影响进电接触或因为接触点具有较大的接触电阻而出现过热并导致接触点产生氧化情况的出现,必须在硅碇的进电过程中得到实时冷却并避免复合工作液进入进电点所导致的极间电解的产生。在实际的应用过程中可以在进电点周围通入压缩空气以起到隔绝复合工作液进入且对进电点进行冷却的作用。

  2.试验结果采用经改造的专用高频脉冲电源对电阻率2.1厚度125mm标准的P型太阳能硅锭进行了电火花线切割加工,平均切割效率大于100mm2/min.硅碇装夹及切割的照片如所不,切割后的硅片实物如所示。

  切割后的太阳能硅片实物通过实验研究证实了电火花线切割加工太阳能硅片的可行性,并研究了其放电加工的特点。但传统的电火花线切割机床采用的是单线切割工艺,虽按单片切割效率相比己大大超过多线切割,但在总切割效率方面还不能和其相比,因此为了从根本上提高电火花线切割效率,多线电火花线切割将是太阳能硅片电火花切割技术发展的必然。

  3小结电火花线切割由于切割过程中不存在宏观切削力且具有大厚度切割的优势,因此其具有大厚度、超薄切割等特点,将成为太阳能硅片切割的一个研究热点。本文研究了高阻半导体材料的放电加工模型,提出了电火花加工太阳能硅片的思路和工艺方法,并首次对电阻率为2.1的P型太阳能硅锭进行了电火花线切割实验,切割效率大于100mm2/min且该方法在加工中不受硅晶体晶向的影响,具有成本低、效率高的特点,为下一步多线电火花线切割加工太阳能硅片奠定了技术基础。

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