單晶硅與多晶硅太陽能電池的制造過程

值此2011年中國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)年會(huì)與第十三屆中國(guó)國(guó)際光電博覽會(huì)（CIOE2011）暨中國(guó)國(guó)際光電高峰論壇（CIOEC）之際，作為超硬材料行業(yè)的科研及教育工作者，能夠應(yīng)深圳市常興金剛石磨具有限公司的邀請(qǐng)，參加如此盛會(huì)十分榮幸，本人將就超硬材料對(duì)光電行業(yè)的影響談一下自己的一點(diǎn)拙見，與與會(huì)各位探討在光電能源建設(shè)中超硬材料的作用問題。

能源危機(jī)、日漸惡化的生態(tài)環(huán)境使許多國(guó)家將開發(fā)和利用可再生新能源作為國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略的重要內(nèi)容。新能源是指?jìng)鹘y(tǒng)能源之外的各種能源形式。如太陽能、地?zé)崮堋L(fēng)能、海洋能、生物質(zhì)能和核能等。1.前言1.前言1.前言1.前言1.前言

地?zé)崮芤彩侵匾淖匀荒茉矗谖覈?guó)有為數(shù)眾多的地?zé)岜恢苯永?，但是地?zé)岚l(fā)電則相對(duì)較少，這也是因?yàn)橛傻責(zé)徂D(zhuǎn)化電能的方法還存在很多問題，并且受到地域環(huán)境的限制；1.前言

風(fēng)能發(fā)電已逐漸興起，在我國(guó)許多地方都可以看到利用風(fēng)能發(fā)電的場(chǎng)景。風(fēng)能是很好的能源，其發(fā)展前景可比肩于太陽能；1.前言1.前言

海洋能方面，最為熟悉的是潮汐發(fā)電，確實(shí)是好的能源，在很多海洋資源豐富的發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)得到一定的應(yīng)用，我國(guó)也有相當(dāng)規(guī)模的裝機(jī)，但供電線路過長(zhǎng)、設(shè)備維護(hù)復(fù)雜及水下部分要求高等問題也是制約這一能源開發(fā)利用的問題；1.前言

對(duì)于生物質(zhì)能的利用，是我國(guó)傳統(tǒng)的能源方式，如燒柴做飯、農(nóng)村大量的沼氣池，玉米乙醇、取暖鍋爐燃燒壓縮塊體有機(jī)材料等等。用于發(fā)電方面，量大的集中應(yīng)用還存在一定的成本問題；1.前言

相比之下，太陽能是受到普遍認(rèn)同的新能源-安全、綠色、環(huán)保、方便，目前技術(shù)成熟。有專家預(yù)計(jì)到2l世紀(jì)末，可再生能源在能源結(jié)構(gòu)中將占到80％以上，太陽能發(fā)電將占到60％以上。從中可以看出太陽能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展前景及其在能源領(lǐng)域中的重要戰(zhàn)略地位。

太陽能作為能源被人們利用有多種形式，包括直接利用太陽能的熱能，如普遍應(yīng)用的太陽能熱水器、空調(diào)、灶及路燈等。將太陽能轉(zhuǎn)化為電能并且并網(wǎng)使用則使能源的利用更為方便快捷。太陽能電池就是最為重要的核心。1.前言1.前言利用太陽能的核心：太陽能電池！

太陽能電池可以分為五大類：硅太陽能電池、多元化合物薄膜太陽能電池、聚合物多層修飾電極型太陽能電池、納米晶太陽能電池和有機(jī)太陽能電池。2.太陽能電池分類2.太陽能電池分類

多元化合物薄膜太陽能電池材料為無機(jī)鹽，其主要包括砷化鎵III-V族化合物、硫化鎘、碲化鎘及銅銦硒薄膜電池等。由于構(gòu)成薄膜的材料價(jià)格高、有毒及稀有等問題，使應(yīng)用前景受到限制；2.1.多元化合物薄膜太陽能電池

聚合物多層修飾電極型太陽能電池，以有機(jī)聚合物代替無機(jī)材料，是剛剛開始的一個(gè)太陽能電池制造的研究方向。由于有機(jī)材料柔性好，制作容易，材料來源廣泛，成本低等優(yōu)勢(shì)，從而對(duì)大規(guī)模利用太陽能，提供廉價(jià)電能具有重要意義。但以有機(jī)材料制備太陽能電池的研究?jī)H僅剛開始，不論是使用壽命，還是電池效率都不能和無機(jī)材料特別是硅電池相比。能否發(fā)展成為具有實(shí)用意義的產(chǎn)品，還有待于進(jìn)一步研究探索。2.2.聚合物多層修飾電極型太陽能電池2.太陽能電池分類2.太陽能電池分類

納米晶太陽能電池主要是TiO2納米晶太陽能電池，它的優(yōu)點(diǎn)在于它廉價(jià)的成本和簡(jiǎn)單的工藝及穩(wěn)定的性能。其光電效率穩(wěn)定在10％以上，制作成本僅為硅太陽電池的1/5～1/10．壽命能達(dá)到20年以上。但由于此類電池的研究和開發(fā)剛剛起步，還有很多科學(xué)問題沒有解決，但在將來會(huì)逐步走上市場(chǎng)。2.3.納米晶太陽能電池2.太陽能電池分類

有機(jī)太陽能電池以具有光敏性質(zhì)的有機(jī)物作為半導(dǎo)體材料，以光伏效應(yīng)而產(chǎn)生電壓形成電流。主要的光敏性質(zhì)的有機(jī)材料均具有共軛結(jié)構(gòu)并且有導(dǎo)電性，如酞菁化合物、卟啉、菁（cyanine）等。染料敏化太陽能電池（DSSC）主要是指以染料敏化的多空納米結(jié)構(gòu)TiO2

薄膜為光陽極的一類太陽能電池。它是仿生植物葉綠素光合作用原理的太陽能電池。而NPC太陽能電池可選用適當(dāng)?shù)难趸€原電解質(zhì)從而使光電效率提高，一般可穩(wěn)定于10%，并且納米晶TiO2

制備簡(jiǎn)便，成本低廉，壽命可觀，具有不錯(cuò)的市場(chǎng)前景。2.4.有機(jī)太陽能電池2.太陽能電池分類

硅太陽能電池是目前應(yīng)用最為廣泛的太陽能電池，分為單晶硅太陽能電池、多晶硅薄膜太陽能電池和非晶硅薄膜太陽能電池三種。2.5.硅太陽能電池2.太陽能電池分類⑴．單晶硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率最高，技術(shù)也最為成熟。在實(shí)驗(yàn)室里最高的轉(zhuǎn)換效率為24.7%，規(guī)模生產(chǎn)時(shí)的效率為15%。在大規(guī)模應(yīng)用和工業(yè)生產(chǎn)中仍占據(jù)主導(dǎo)地位，但由于單晶硅成本價(jià)格高，大幅度降低其成本很困難，為了節(jié)省硅材料，發(fā)展了多晶硅薄膜和非晶硅薄膜做為單晶硅太陽能電池的替代產(chǎn)品。2.5.硅太陽能電池2.5.硅太陽能電池2.太陽能電池分類⑵．多晶硅薄膜太陽能電池與單晶硅比較,成本低廉，而效率高于非晶硅薄膜電池，其實(shí)驗(yàn)室最高轉(zhuǎn)換效率為18%,工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)的轉(zhuǎn)換效率為10%。因此，多晶硅薄膜電池不久將會(huì)在太陽能電地市場(chǎng)上占據(jù)主導(dǎo)地位。2.5.硅太陽能電池2.太陽能電池分類⑶．非晶硅薄膜太陽能電池成本低重量輕，轉(zhuǎn)換效率較高，便于大規(guī)模生產(chǎn)，有極大的潛力。但受制于其材料引發(fā)的光電效率衰退效應(yīng)，穩(wěn)定性不高，直接影響了它的實(shí)際應(yīng)用。如果能進(jìn)一步解決穩(wěn)定性問題及提高轉(zhuǎn)換率問題，那么，非晶硅大陽能電池?zé)o疑是太陽能電池的主要發(fā)展產(chǎn)品之一。3．單晶硅與多晶硅太陽能電池的制造過程非晶硅電池硅礦玻璃鍍膜硅烷氣體單晶硅電池多晶硅電池硅礦石冶金級(jí)礦單晶硅片多晶硅片多晶硅錠單晶硅棒鑄造法直拉法區(qū)域熔化提純法多晶硅西門子法流化床法冶金法其它方法3.1.多晶硅與單晶硅太陽能電池制造⑴．多晶硅的制造過程3．單晶硅與多晶硅太陽能電池的制造過程3.1.多晶硅與單晶硅太陽能電池制造⑵．單晶硅的制造過程非晶硅電池硅礦玻璃鍍膜硅烷氣體單晶硅電池多晶硅電池硅礦石冶金級(jí)礦單晶硅片多晶硅片多晶硅錠單晶硅棒鑄造法直拉法區(qū)域熔化提純法多晶硅西門子法流化床法冶金法其它方法3.1.多晶硅與單晶硅太陽能電池制造3．單晶硅與多晶硅太陽能電池的制造過程⑶．硅棒與硅錠的加工3.1.多晶硅與單晶硅太陽能電池制造3．單晶硅與多晶硅太陽能電池的制造過程⑶．硅棒與硅錠的加工3.2.硅片加工過程中主要消耗的工具3．單晶硅與多晶硅太陽能電池的制造過程⑴．截?cái)喙璋羯a(chǎn)好之后，要沿垂直于晶體生長(zhǎng)的方向切去晶體硅棒頭和尾，頭部的籽晶和放肩部分以及尾部的收尾部分是不能用的，一般要用金剛石外圓鋸片進(jìn)行切斷，也可用金剛石帶鋸條進(jìn)行截?cái)?。截?cái)嗪笮纬傻氖菆A柱體的硅棒，其截面是圓形的。3.2.硅片加工過程中主要消耗的工具3．單晶硅與多晶硅太陽能電池的制造過程⑵．滾圓

由于硅晶體生長(zhǎng)時(shí)熱振動(dòng)、熱沖擊，硅棒表面都不是非常平滑的，這時(shí)要用金剛石砂輪磨削硅棒表面，使整根硅棒的直徑統(tǒng)一，而達(dá)到所需的直徑。

方形的硅片具有更好的空間使用率，多數(shù)廠家會(huì)進(jìn)行硅棒切方，切方使用金剛石外圓鋸片和線鋸。3.2.硅片加工過程中主要消耗的工具3．單晶硅與多晶硅太陽能電池的制造過程⑶．

開方

單晶硅切方后或多晶硅切塊后其表面較為粗糙，需要用金屬結(jié)合劑和樹脂結(jié)合劑金剛石砂輪來研磨硅棒表面，使其達(dá)到平整光潔。加工硅片切片后邊緣會(huì)出現(xiàn)的崩邊，棱角，裂縫，可用金剛石砂輪來倒角。3.2.硅片加工過程中主要消耗的工具3．單晶硅與多晶硅太陽能電池的制造過程⑷．研磨與倒角3.2.硅片加工過程中主要消耗的工具3．單晶硅與多晶硅太陽能電池的制造過程⑸．切片

硅片的厚度很薄，在150~300

m之間，最新的進(jìn)展已經(jīng)達(dá)到120m，這樣有效的利用了硅材料，成本大大降低。馬達(dá)驅(qū)動(dòng)導(dǎo)線輪使整個(gè)切割線網(wǎng)以每秒5到25米的速度移動(dòng)。較為先進(jìn)的切片工具通常采用金剛石內(nèi)圓鋸片和線鋸。金剛石內(nèi)圓鋸厚度較厚，有250~300m，對(duì)硅料的損耗較大。3.2.硅片加工過程中主要消耗的工具3．單晶硅與多晶硅太陽能電池的制造過程⑹．硅材料的鉆孔與取芯

由于硅材料的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，硅有時(shí)需要進(jìn)行鉆孔或取芯，各種規(guī)格的金剛石鉆頭就有了用武之地。快捷高效，精度高的金剛石鉆頭被普遍用在硅材料的鉆孔、擴(kuò)孔、套料、取芯等工序。用來生產(chǎn)多晶硅的紫晶棒也是用金剛石鉆頭來加工的。3.2.硅片加工過程中主要消耗的工具3．單晶硅與多晶硅太陽能電池的制造過程⑺．多晶硅錠的打磨

多晶硅錠澆鑄出來后其表面和底部，有很厚的雜質(zhì)層，這些雜質(zhì)層可用金剛石磨片來打磨。3.2.硅片加工過程中主要消耗的工具3．單晶硅與多晶硅太陽能電池的制造過程⑻．硅片的精磨與拋光

切割成為一定形狀和尺寸的硅片，由于切割過程中的鋸痕和應(yīng)力層的存在，會(huì)影響硅片的使用，必須進(jìn)行精磨以去除鋸痕和應(yīng)力層，并且必須進(jìn)行表面拋光。精磨和拋光一般多用金剛石精磨片和拋光膏（劑）。從以上光伏發(fā)電的核心-硅片的加工過程及所用工具來看，超硬材料-金剛石對(duì)光電行業(yè)的影響是十分巨大的。下圖是太陽能單晶硅電池片制造過程中的相關(guān)產(chǎn)業(yè)，在多個(gè)環(huán)節(jié)都涉及到超硬材料，如石墨坩堝、石墨電極、石英坩堝及切割打磨等。上述相關(guān)制造環(huán)節(jié)現(xiàn)在大多數(shù)采用金剛石工具，金剛石及金剛石工具的生產(chǎn)被稱為綠色產(chǎn)業(yè)。4.1.多環(huán)節(jié)應(yīng)用超硬材料工具

4.超硬材料對(duì)光電行業(yè)的影響

從最近收集到的信息可知，采用世界最先進(jìn)的金剛石線鋸切割技術(shù)試切割生產(chǎn)太陽能單晶硅片取得成功。試驗(yàn)結(jié)論指出，采用金剛石線鋸切割技術(shù)切割單晶硅片比傳統(tǒng)的砂漿切割技術(shù)整整快了3倍，而其消耗的水電則比傳統(tǒng)的砂漿切割技術(shù)減少了三分之二，并且切割后產(chǎn)生的硅粉可以全部回收使用，可謂既節(jié)能又環(huán)保，對(duì)于提升國(guó)內(nèi)同行業(yè)水平意義深遠(yuǎn)。4.2.超硬材料使太陽能硅電池生產(chǎn)成本更低4.超硬材料對(duì)光電行業(yè)的影響4.2.超硬材料使太陽能硅電池生產(chǎn)成本更低4.超硬材料對(duì)光電行業(yè)的影響

證券時(shí)報(bào)稱，某超硬材料上市公司進(jìn)軍光伏加工領(lǐng)域，因?yàn)楣杵懈钍翘柲芄夥姵刂圃旃に囍械年P(guān)鍵部分。金剛石切割線以其高效率、壽命長(zhǎng)的優(yōu)勢(shì)，能夠幫助下游企業(yè)有效降低成本。

很多太陽能電池生產(chǎn)企業(yè)及相關(guān)研究機(jī)構(gòu)也充分認(rèn)識(shí)到以超硬材料代替普通磨料（SiC）的環(huán)保性、經(jīng)濟(jì)性。介于此，深圳市常興金剛石磨具有限公司就開展“太陽能硅晶體材料精密加工工具、加工技術(shù)、加工裝備的研究”作為戰(zhàn)略發(fā)展目標(biāo)，作為公司新的利潤(rùn)增長(zhǎng)點(diǎn)，為我國(guó)太陽能事業(yè)做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)！4.2.超硬材料使太陽能硅電池生產(chǎn)成本更低4.超硬材料對(duì)光電行業(yè)的影響4.3.超硬材料使太陽能硅電池生產(chǎn)更環(huán)保4.超硬材料對(duì)光電行業(yè)的影響采用金剛石線鋸切割技術(shù)比傳統(tǒng)的砂漿切割技術(shù)整整快了3倍消耗的水電則比傳統(tǒng)的砂漿切割技術(shù)減少了三分之二切割產(chǎn)生的硅粉可以全部回收使用更少的能耗和污染！

根據(jù)有關(guān)資料披露，在太陽能硅片切割方面，每生產(chǎn)1MW的太陽能晶硅光伏組件，平均產(chǎn)生約40噸左右的廢砂漿，如果按目前太陽能硅片的產(chǎn)能，每年產(chǎn)生的廢砂漿約80萬噸，其中刃料（主要為SiC）約為36萬噸，其余為切割液。如果沒有處理就排放掉，將對(duì)環(huán)境造成巨大不利影響，反之，如果全部處理回收利用，將為硅片切割行業(yè)節(jié)約超過40億元的成本。而36萬噸SiC的生產(chǎn)所耗電能及產(chǎn)生的污染又是一個(gè)驚人的數(shù)字。4.3.超硬材料使太陽能硅電池生產(chǎn)更環(huán)保4.超硬材料對(duì)光電行業(yè)的影響另外，這種加砂的絲鋸帶來的一個(gè)重要問題，有兩方面：一是碳化硅顆粒的滾動(dòng)擠壓式切磨，會(huì)造成切割表面深度裂紋及應(yīng)力層，需要在隨后的精磨過程中去除更多的硅片厚度；二是滾動(dòng)擠壓式切磨在切割硅片的同時(shí)也在不斷損傷線鋸鋼絲，使其壽命縮短；4.3.超硬材料使太陽能硅電池生產(chǎn)更環(huán)保4.超硬材料對(duì)光電行業(yè)的影響5.結(jié)束語從以上分析和實(shí)例可見，超硬材料在硅電池制造過程中幾乎無處不在，用于硅電池加工的金剛石工具技術(shù)的發(fā)展在一定程度上對(duì)光伏發(fā)電的發(fā)展有十分重要的影響。

預(yù)計(jì)光伏制造業(yè)將在中國(guó)進(jìn)一步聚集，由目前占全球產(chǎn)能的1/2向更高比例邁進(jìn)。5.結(jié)束語

中國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)2010年的產(chǎn)能為8000兆瓦，占全球光伏產(chǎn)業(yè)產(chǎn)能的一半以上。目前，中國(guó)已形成了完整的太陽能光伏產(chǎn)業(yè)鏈，并涌現(xiàn)出了無錫尚德、江西賽維、天威英利等一批在海外上市的知名企業(yè)。2010年，中國(guó)太陽能光伏產(chǎn)品90%都是出口，只有10%是國(guó)內(nèi)市場(chǎng)需求。5.結(jié)束語