CN106298991B - 硅片及其制备方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光伏领域，具体公开了一种硅片，该硅片的切割面上具有沿第一方向排布的若干切痕图案；切痕图案由若干线痕弯折连接或交叉连接。上述硅片，由于其切痕图案由若干线痕弯折连接或交叉连接，在经过常规的酸碱制绒工艺之后，可以形成有效的陷光结构，从而使金刚线切割工艺与常规酸碱制绒工艺兼容。本发明还公开了一种上述硅片的制备方法及一种硅片线切割装置。
Description
技术领域
本发明涉及光伏领域，特别是涉及一种硅片及其制备方法及装置。
背景技术
目前，硅晶体线切割一般都是采用游离磨料线切割，即切割钢丝携带砂浆高速运动，砂浆中的游离磨料在切割钢丝的压力和速度的带动下，对硅材料进行研磨型加工，从而实现硅晶体切割。该过程中切割钢丝本身不参与切割，由于砂浆中的游离磨料与硅材料的实际接触面积较小，因此对加工材料的去除率较低，加工时间较长，生产效率低。另外，切割后的硅片表面损伤较大、侧面崩边大且多，造成硅片质量下降。还有就是，上述技术还需复杂设备回收磨料和切割液；切割后的硅片表面有碳化硅、切割液、金属离子，造成后续清洗麻烦。
为了克服上述缺点，金刚线切割硅片技术正在逐步取代传统的游离磨料线切割技术。但是，目前金刚线切割技术切割得到的硅片，后续不能采用常规的酸碱制绒工艺进行制绒，若采用常规的酸碱制绒工艺进行制绒，其电池效率不提升反而下降。目前，金刚线切割得到的硅片只能采用等离子反应刻蚀(RIE)或金属催化化学腐蚀(MCCE)方法来进行制绒，但由于上述两种制绒工艺，设备投资高或工艺稳定性较差而难以推广。
因此，亟需一种兼容金刚线切割与常规酸碱制绒工艺的技术。
发明内容
基于此，有必要针对现有的金刚线切割与常规酸碱制绒工艺无法兼容的问题，提供一种采用金刚线切割且后续可采用常规酸碱制绒的硅片。
一种硅片，所述硅片的切割面上具有沿第一方向排布的若干切痕图案；所述切痕图案由若干线痕弯折连接或交叉连接而成。
上述硅片，由于其切痕图案由若干线痕弯折连接或交叉连接，在经过常规的酸碱制绒工艺之后，可以形成有效的陷光结构，从而使金刚线切割工艺与常规酸碱制绒工艺兼容。
在其中一个实施例中，所述硅片的切割面上还设有沿第一方向间隔分布的沟壑；所述沟壑沿第二方向延伸，所述第二方向与所述第一方向垂直；所述沟壑处的线痕平行。
在其中一个实施例中，所述沟壑的深度为5～50μm；所述沟壑的宽度为0.1～1.5mm。
本发明还提供了一种硅片的制备方法。
一种硅片的制备方法，包括如下步骤：
将硅晶体用金刚线进行线切割；
在所述线切割过程中，使所述金刚线上的金刚砂沿第一方向振动，以形成切痕图案。
上述硅片的制备方法，后续可以直接采用常规的酸碱制绒工艺来制绒，使金刚线切割工艺与常规的酸碱制绒工艺相兼容，进而降低了光伏电池的制作成本。
在其中一个实施例中，还包括在所述线切割过程中，使所述金刚线上的金刚砂只沿第二方向移动，以形成沟壑。
本发明还提供了一种硅片线切割装置。
一种硅片线切割装置，包括：
两个导轮，平行设置；所述两个导轮中的至少一个为非圆形导轮，所述非圆形导轮的表面各点到所述非圆形导轮的转动轴的距离的最大差值为a，0<a<1mm；
以及金刚线，张紧于两个导轮之间，且在导轮的带动下运动。
上述的硅片线切割装置，由于特殊的导轮设置，可以使金刚线上的金刚砂在沿第一方向移动的同时，还沿第二方向作振动，从而在硅片表面形成本发明的切痕图案，使金刚线切割工艺可与常规的酸碱制绒工艺兼容，进而降低了光伏电池的制作成本。
在其中一个实施例中，所述两个导轮均呈正多边形。
在其中一个实施例中，所述导轮包括呈圆形的基轮、以及可伸缩连接在所述基轮的表面上的若干凸起。
在其中一个实施例中，所述金刚线的金属基线呈波浪形。
在其中一个实施例中，所述金刚线的金刚砂包括第一金刚砂以及第二金刚砂，所述第一金刚砂与所述第二金刚砂的比例为9:1～1:1。
附图说明
图1为现有技术中金刚线切割的硅片的切割面示意图。
图2为本发明一实施方式的硅片的切割面示意图。
图3为本发明一实施方式的硅片切割装置的结构示意图。
图4为本发明一实施方式的硅片切割装置的切割线的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合具体实施方式，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
现有的金刚线切割的硅片，在经过常规的酸碱制绒工艺之后，其电池效率不提升反而下降。本发明的发明人经过研究发现，参见图1，现有的金刚线切割的硅片100’，切割形成的多条平行排布的线痕101’，这些线痕101’之间的间距大约为1.6μm，并且在线痕101’之间存在类似镜面部分的硅片表面。在常规的酸碱制绒工艺之后，由于酸碱制绒利用酸碱的腐蚀在晶向上各向异性，加上这些线痕101’平行排布，制绒之后的硅片的切割面反而变得光滑，并没有形成陷光结构。这也就是金刚线切割与常规酸碱制绒工艺不兼容的原因。
参见图2，本发明一实施方式的硅片100，由金刚线切割而成，其具有切割面。该切割面上具有若干切痕图案110。切痕图案110沿第一方向(也即图2中的Y方向)周期性排布。切痕图案110由金刚线在切割过程中的切割线痕组成。
本发明的切痕图案110呈“非线性”，也即切痕图案110由若干线痕弯折连接或交叉连接而成。例如“之”、“互”、“工”、“巫”、“X”形、蠕虫形等相互续接而成。本发明的切痕图案，在经过常规的酸碱制绒工艺之后，形成表面规律变化的陷光结构。
一般地，切痕图案110的损伤在纳米/微米级，经过常规的酸碱制绒工艺之后，对应地陷光结构也为纳米/微米级。
为了进一步优化硅片100的性能，本实施方式的硅片100，其切割面上还设有沿第一方向间隔分布的沟壑104；沟壑104沟壑沿第二方向延伸，第二方向为与第一方向垂直的方向(也即第二方向图2中的X方向)。沟壑104处的线痕平行。
具体地，沟壑104的位置和数量，根据光伏电池的主栅线的位置和数量来设计。例如，沟壑的条数为2条、3条、4条、5条……18条等。
由于沟壑104与主栅线上下对应设置，沟壑104处的线痕平行(即与现有的金刚线切割的线痕一样)，在经过常规的酸碱制绒工艺之后，变得更加光滑，这样可以减少降低主栅线下的表面复合速率和降低主栅线电阻，从而提升光伏电池光电转化效率。
优选地，沟壑104的深度为5～50μm；沟壑104的宽度为0.1～1.5mm。
在本实施方式中，沟壑的个数为4条，沟壑的深度为15μm，沟壑的宽度为0.8mm。
当然，可以理解的是，在某些情况下，本发明也可以不设置沟壑104。
本发明所提供的硅片，由于其切痕图案由若干线痕弯折连接或交叉形成，在经过常规的酸碱制绒工艺之后，可以形成有效的陷光结构，从而使金刚线切割工艺与常规酸碱制绒工艺兼容，进而降低了光伏电池的制作成本。
本发明还提供了一种硅片的制备方法。
一种硅片的制备方法，包括将硅晶体用金刚线进行线切割。
其中，金刚线包括金属基线以及固结在金属基线上的金刚砂；在线切割过程中，使金刚砂沿第一方向(图中的Y方向)振动，以形成切痕图案。
由于金刚砂在沿X方向移动的同时，还沿Y方向振动，故而每个金刚砂在硅片表面所生成的线痕并不是一条沿X方向直线，不同的金刚砂的线痕叠加之后，即形成若干线痕弯折连接或交叉连接的切痕图案。
为了进一步优化硅片的性能，在线切割过程中，还包括使金刚砂只沿第二方向移动，此时的线痕为沟壑处的线痕。即在需要形成沟壑时，在一定的时间段内，只控制金刚砂沿Y方向移动。
具体地，沟壑可以通过恒定切割位置重复切割或恒定切割张力重复切割的方法来实现。
上述硅片的制备方法，后续可以直接采用常规的酸碱制绒工艺来制绒，使金刚线切割工艺与常规的酸碱制绒工艺相兼容。另外，本发明的硅片的制备方法，可适用于单晶和多晶的该效率切割制造。
本发明还提供了一种用于制备上述硅片的硅片切割装置。
参见图3，硅片切割装置1000包括两个导轮310、320，以及金刚线400。
其中，两个导轮310、320的主要作用是，将金刚线400张紧，并带动金刚线400基本沿图中的X方向运动。具体地，两个导轮310、320平行设置，且间隔一定的距离以便于将硅晶体200放置在两个导轮310、320之间。
参见图4，金刚线400包括金属基线410以及金刚砂420，金刚砂420固结在金属基线410上。金属基线410的主要作用是，作为金刚砂的载体。金属基线410基本不产生切割作用，起切割作用的是固结在金属基线410上的金刚砂。
在切割过程中，两个导轮310、320同步运转，同时带动金刚线400高速运动，从而使金刚砂420高速运动，对硅晶体200产生切割。
当然，可以理解的是，一般地，硅片切割装置1000还包括冷却液喷洒装置(未示出)以及硅晶体下压装置(未示出)等。这些装置均可以采用本领域技术人员所公知的结构，在此不再赘述。
在本发明中，两个导轮310、320中的至少一个为非圆形导轮，即两个导轮310、320中的至少一个呈非圆形。非圆形导轮的表面各点到转动轴的距离的最大差值为a，0<a<1mm。也就是，a为非圆形导轮表面上距离转动轴最远的点到转动轴的距离与非圆形导轮表面上距离转动轴最近的点到转动轴的距离的差值。这样由于各点距离导轮的转动轴的距离不相同，金刚线在运动过程中，金刚砂420不仅沿X方向移动的同时，还具有沿Y方向振动，且Y方向的振动控制在一定的幅度之内，从而在硅片的切割面上形成本发明的切痕图案，而避免了现有技术中金刚线切割线痕平行的现象。
更优选地，a的取值范围3～17μm。这样可以进一步提升硅片的性能。
在一优选实施方式中，两个导轮均呈正多边形。当然，也可以是只是一个导轮呈正多边形。
以下以正三百边形的导轮来说明本发明的硅片切割装置的工作原理。
硅片切割装置中的两个导轮相同，其径长为200mm，两个导轮之间的间距为400mm。由于导轮为正三百边形。即正三百边形中顶点到转动轴的距离为100mm，正三百边形中边中点到转动轴的距离为99.995mm。也就是，正三百边形中顶点与边中点分别到转动轴的距离的差值a为5μm。
两个导轮通过旋转电机控制，且同步旋转。导轮带动金刚线以17m/s的X方向运动。由于正三百边形中顶点与边中点分别到转动轴的距离不同，导致金刚线上的金刚砂在X方向运动的同时，又有周期性的Y方向运动(即在Y方向上振动)。
经计算，由于导轮为正三百边形，即导轮每旋转一圈，有300个周期的Y方向运动。由于正三百边形中顶点与边中点分别到转动轴的距离的差值为5μm。也就是说，伴随着17m/s的X方向运动，金刚砂在Y方向上的振幅即为5μm。
以硅片宽度为156mm为例，则一个金刚砂在硅片X方向上每隔约500μm的长度作一个振幅为5μm的线痕。通过不同金刚砂的线痕，最终在硅片的表面形成切痕图案。
当然，可以理解的是，导轮并不局限于正多边形，还可以是其它形状，例如椭圆形，亦或导轮的圆周上的部分圆弧段，被一条或多条的直线段、或圆弧段(与被取代的圆弧段曲率不同)、或椭圆弧段、或其他的几何曲线取代。取代可以是间隔一定距离的均匀取代，亦或无规律取代。
当然，还可以是导轮包括呈圆形的基轮、以及可伸缩连接在基轮表面上的若干凸起。当该凸起伸出基轮的圆周面时，金刚线上的金刚砂在X方向移动的同时，在Y方向振动，此时可形成本发明的切痕图案。当该凸起缩回至基轮的圆周面内时，此时导轮恢复圆周面，金刚线上的金刚砂只在X方向移动，此时可形成沟壑处的线痕。
优选地，金属基线410呈波浪状，也即“非线性”。本发明中金属基线410可以是平面内的波浪线，亦可以是三维的空间螺旋波浪线。
采用波浪线设计的金属基线410，可以缓冲X-Y方向的阻碍，便于“自适应”绕过硅晶体200上的硬点，有利于提高切割速度，且避免了现有的金刚线切割的硬点断线问题，从而有利于产出硅片的良率、成本和产能。同时，波浪线设计与本发明导轮的设计相结合，使切割运动空间变换，进而形成规律性的表面损伤和制绒效果，进一步提升光伏电池效率。
在本实施方式中，金属基线410的波长为3mm，波谷和波峰之间的高度差为7μm。
优选地，金刚砂420在金属基线410上呈非均匀分布，在金属基线410的波峰、波谷处同时或任选其一分布更密。在本实施方式中，金刚砂420在波峰、波谷处密度更高。
在本实施方式中，金刚砂420包括第一金刚砂421以及第二金刚砂422，第一金刚砂421与第二金刚砂422为两种不同规格的金刚砂。具体地，第一金刚砂421的粒径小于第二金刚砂422的粒径。
更优选地，第一金刚砂421与第二金刚砂422的比例为9:1～1:1。
上述的硅片线切割装置，由于特殊的导轮设置，可以使金刚线上的金刚砂在沿第一方向移动的同时，还沿第二方向作振动，从而在硅片表面形成本发明的切痕图案，使金刚线切割工艺可与常规的酸碱制绒工艺兼容，进而降低了光伏电池的制作成本。
以上所述实施方式的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施方式中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施方式仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (8)
1.一种金刚线切割后的硅片，其特征在于，所述硅片的切割面上具有沿第一方向排布的若干切痕图案；所述切痕图案由若干线痕弯折连接或交叉连接而成；所述硅片的切割面上还设有沿第一方向间隔分布的沟壑；所述沟壑沿第二方向延伸，所述第二方向与所述第一方向垂直；所述沟壑处的线痕平行。
2.根据权利要求1所述的硅片，其特征在于，所述沟壑的深度为5～50μm；所述沟壑的宽度为0.1～1.5mm。
3.一种权利要求1所述的硅片的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
将硅晶体用金刚线进行线切割；
在所述线切割过程中，使所述金刚线上的金刚砂沿第一方向振动，以形成切痕图案；
还包括在所述线切割过程中，使所述金刚线上的金刚砂只沿第二方向移动，以形成沟壑。
4.一种用于制备权利要求1所述的硅片的硅片线切割装置，其特征在于，包括：
两个导轮，平行设置；所述两个导轮中的至少一个为非圆形导轮，所述非圆形导轮的表面各点到所述非圆形导轮的转动轴的距离的最大差值为a，0<a<1mm；
以及金刚线，张紧于两个导轮之间，且在导轮的带动下运动。
5.根据权利要求4所述的硅片线切割装置，其特征在于，所述两个导轮均呈正多边形。
6.根据权利要求4所述的硅片线切割装置，其特征在于，所述导轮包括呈圆形的基轮、以及可伸缩连接在所述基轮的表面上的若干凸起。
7.根据权利要求4所述的硅片线切割装置，其特征在于，所述金刚线的金属基线呈波浪形。
8.根据权利要求7所述的硅片线切割装置，其特征在于，所述金刚线的金刚砂包括第一金刚砂以及第二金刚砂，所述第一金刚砂与所述第二金刚砂的比例为9:1～1:1。
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