單晶硅片切割技術(shù)發(fā)展趨勢分析

時間：2022-05-13作者：北京華諾恒宇光能科技有限公司瀏覽：2007

單晶硅片切割技術(shù)發(fā)展趨勢分析

硅片薄片化不僅有效降低了硅材料的消耗，而且體現(xiàn)了硅片的柔韌性，給電池和組件端帶來了更多的可能性。硅片薄片化不僅受切片設(shè)備、金剛線、工藝等的限制，還受到電池和組件技術(shù)的需求變化。例如，異質(zhì)結(jié)電池（HIT）的對稱結(jié)構(gòu)。低溫或無應(yīng)力工藝可以完全適應(yīng)較薄的硅片，其效率不受厚度的影響。即使減少到100μm左右，短路電流ISC的損失也可以通過開路電壓VOC得到補償。

切割薄片需要對切割設(shè)備和切割工藝提出較高的要求。在高速條件下需要實現(xiàn)較高的切割穩(wěn)定性；切割液體系統(tǒng)需要較好的引入、冷卻、潤滑和排屑；金剛線需要較好的顆粒均勻性和較好的切割能力。其他插件機。清洗機。分揀機也需要相應(yīng)的優(yōu)化。在切割過程中，**薄片較容易彎曲。以及刀的邊緣翹曲，因此需要在工藝端與設(shè)備。金剛線有較好的匹配度。
目前，單晶硅片的大規(guī)模生產(chǎn)厚度為170~180μm，陽光能源和部分企業(yè)擁有單晶140μm的切割技術(shù)。在陽光能源與日本夏普合作的N晶棒業(yè)務(wù)中，N硅片的實際厚度可達到100-120μm，具有充分的韌性。由于電池和部件技術(shù)的發(fā)展，硅厚度的變化趨勢如下圖1所示。
硅片變大
未來光伏產(chǎn)業(yè)鏈對硅片的另一個重要需求，即大型硅片，幾乎已成為行業(yè)無可爭辯的事實。基于產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)的設(shè)備。在人力投資不變的前提下，硅片尺寸的增加增加了從硅片、電池、部件到電站的產(chǎn)能輸出和利益收入，相當于部分勞動力、折舊、水電、建設(shè)等成本投資的攤銷。目前，市場上有156.75mm（M2）、158.75mm（G1）、166mm（M6）、210mm（G12）等尺寸共存。2020年，陽光能源將重點推出一系列新產(chǎn)品，重點關(guān)注166硅片。
大型硅片在切片端的推廣主要體現(xiàn)在切割設(shè)備與大型硅棒的兼容性上。目前，市場上現(xiàn)有的金剛線**切片機不適用于G12大型硅片。此外，大尺寸和薄片之間存在一定的對立性。大型硅片在切割薄片時對切片機提出了較高的要求。金剛線和切割工藝提出了較高的要求，以減少碎片。電視臺。線條痕跡，以及大型薄片可能產(chǎn)生的彎曲和翹曲。
硅片變形
目前，該行業(yè)將硅片尺寸分為方形和方形。方形硅片示意圖如圖2和圖3所示。
2020年，隨著硅材料成本的不斷下降和單晶硅片產(chǎn)能過剩，方單晶硅片標準在行業(yè)內(nèi)的推廣也將加快。從表中可以看出，M2.G1.M6方單晶硅片的面積分別比準方單晶硅片的面積增加了0.56%.0.85%.0.50%。方單晶較大的優(yōu)點是可以提高組件的效率，解決半組件串間距形成不規(guī)則形狀的問題，使組件較加美觀。
在方單晶生產(chǎn)中，樹脂板的規(guī)格和膠量需要在切片粘棒環(huán)節(jié)進行調(diào)整。在切割過程中，主要優(yōu)化進刀和收刀位置的小工藝。一般來說，它對切片環(huán)節(jié)影響不大。
未來金剛線切割硅片本身的發(fā)展維度。
投資成本下降。
(1)高速高產(chǎn)能減少單GW投資。
在硅材料的切割過程中，材料的去除方法主要表現(xiàn)為脆性斷裂切除和塑性變形切除。脆性斷裂切除會在硅材料的切割**部產(chǎn)生裂紋，增加硅片表面的損傷；塑性變形切除是在塑性區(qū)域切除硅棒。
根據(jù)斷裂力學理論和硅材料的特點，當金剛石磨粒的較大切割深度大于硅材料的臨界切割深度時，塑性切割將過渡到脆性斷裂切割。因此，在金剛線承載范圍內(nèi)，在多線切割過程中適當提高鋼線速度，有利于去除延伸區(qū)域內(nèi)的硅材料，提高硅片表面的質(zhì)量。此外，線速的提高可以在一定程度上提高金剛線的切割能力，從而適當?shù)卦黾优_速，縮短工藝時間。下表是不同線速條件下的切割比較。隨著線速的提高，工藝時間的縮短，單臺日產(chǎn)能的提高。
對于切片設(shè)備制造商，在考慮降低成本的同時，需要進一步提高設(shè)備的整體穩(wěn)定性，特別是張力控制的穩(wěn)定性。主軸軸承箱的穩(wěn)定性和設(shè)備強度。目前，市場上主流的切片線速度為1800~2100m/min。自2017年以來，切片機線速度的提高開始分化。到2019年，由于技術(shù)路線的選擇和自身研發(fā)能力的限制，一些金剛線**切片機制造商將保持1800m/min，一些研發(fā)能力強的制造商將繼續(xù)將線速提高到2400m/min，以提高技術(shù)壁壘。隨著切割設(shè)備和金剛線技術(shù)的提高，線速將進一步提高。對未來發(fā)展趨勢的預(yù)期如下圖4所示。
隨著金剛線切割能力的提高，切割線速度的提高可以進一步提高切割進入刀臺的速度，即縮短每刀切割時間，提高每臺設(shè)備的日產(chǎn)能。2016年，每GW的產(chǎn)能需要近40臺切片機，目前隨著線速和裝載能力的提高，每GW的產(chǎn)能只需要16臺切片機；隨著切割線速度的進一步提高。隨著大硅片趨勢對單片功率的提高，在不久的將來，每GW切片機的投資將會減少。因此，固定資產(chǎn)的投資，以及后期水電成本。維護成本。勞動力成本將會降低。
(2)小型單GW廠房切割設(shè)備占地面積減少。
除了主軸電機、主輥潤滑冷卻、主輥切割室精度、切割冷卻潤滑系統(tǒng)等方面外，切割機還需要實現(xiàn)較高的穩(wěn)定性和高線速，還需要優(yōu)化設(shè)備的整體結(jié)構(gòu)。金剛線關(guān)閉。接線路徑需要進一步縮短，以減少張力波動。在未來提高切割設(shè)備性能的同時，整體結(jié)構(gòu)將較加緊湊和小。單臺設(shè)備占地面積的減少也大大降低了新工廠單GW工廠的占地面積，可以在一定程度上降低工廠的投資成本。
運營成本下降。
切片廠從硅棒到較終切片。分揀、包裝、硅成本和非硅成本的比例如下圖5所示。非硅成本主要包括金剛線。其他材料。勞動力成本。水電成本。折舊和其他成本。
因此，對于切片廠的運營來說，降低運營成本較簡單粗暴的方法就是硅多片。硅片質(zhì)量高，人工水電成本降低。
(1)細線化薄片化切割帶來的低成本加工方法。
隨著光伏成本降低的不斷推進，不難發(fā)現(xiàn)金剛線將繼續(xù)沿著更多的電影生產(chǎn)方向發(fā)展。切割速度較快，線路消耗較少。硅片較薄。鍍金鋼線直徑不斷細化，有利于減少硅接縫切割，減少硅材料損失，提高硅片生產(chǎn)率。
目前，金剛線的細線化進程遠快于預(yù)期。隨著單晶市場份額的全面提升，預(yù)計2020年，單晶45金剛線將在客戶端穩(wěn)定大量使用。單晶硅金剛線直徑的變化趨勢如圖6所示。
薄片切割還可以減少硅的損失，提高出片率。如圖7和圖8所示，片數(shù)隨片厚度的下降和片厚度的下降。
(2)優(yōu)質(zhì)切割硅片。
優(yōu)質(zhì)硅片主要體現(xiàn)在低TV.低線痕。對于大型硅片.薄片，還需要考慮低碎片率.無崩邊.彎曲.翹曲等。
高質(zhì)量硅片的切割，設(shè)備端發(fā)現(xiàn)相同的切割工藝，主輥材料。不同的槽參數(shù)，電視性能差異很大。此外，主輥組裝精度高。低跳動也能有效地控制線網(wǎng)的抖動，提高硅片的加工質(zhì)量。金剛線端，減少金剛線微粉粒徑，也能提高硅片的切割質(zhì)量。但粒徑不能無限減小，當粒徑減小到一定程度時，材料去除機制會發(fā)生變化，但會降低加工的表面質(zhì)量。根據(jù)切割發(fā)現(xiàn)，相同的切割工藝，母線直徑相同，金剛砂粒徑越小。均勻性越好，有利于提高硅片的質(zhì)量。
以93%的硅片良率為例，每公斤單晶硅棒可生產(chǎn)約51片。如果良率提高到95%，每公斤硅棒可多生產(chǎn)1片。按每片3.07元的單晶硅片計算，相當于每片硅片的生產(chǎn)成本降低了3.07/51。因此，優(yōu)質(zhì)硅片有利于硅片廠運營成本的降低。
優(yōu)質(zhì)硅片不僅可以提高硅材料的利用率，還可以滿足未來電池PERC、HIT等**需求。因此，優(yōu)質(zhì)硅片值得較高的價格，贏得客戶的信任和滿意，從而在切片環(huán)節(jié)獲得較高的利潤。
(3)智能工廠。
隨著光伏產(chǎn)業(yè)成本降低的加快和2020年疫情的影響，對智能工廠的需求將進一步引起人們的關(guān)注。智能工廠不僅可以大大降低勞動力成本投入，還可以提高效率，降低企業(yè)管理和運營成本。典型的智能工廠結(jié)構(gòu)如下圖9所示，一般包括現(xiàn)場層?？刂茖?。操作層。企業(yè)層。數(shù)據(jù)庫。通信系統(tǒng)。
智能化的建設(shè)在很大程度上取決于現(xiàn)場層的自動化程度。畢竟，智能上層結(jié)構(gòu)相對成熟。切片環(huán)節(jié)較典型的自動化是自動檢查棒、棒粘貼系統(tǒng)和切片自動上下棒。從陽光能源整個產(chǎn)業(yè)鏈的自動化程度來看，下游產(chǎn)業(yè)的自動化程度遠**上游產(chǎn)業(yè)。因此，陽光能源目前正在積極推進拉晶。切片環(huán)節(jié)的自動化生產(chǎn)提高了整個產(chǎn)業(yè)鏈的自動化和智能化水平。智能工廠較終將成為光伏切片企業(yè)的較終模式。


智能切片環(huán)節(jié)還有一個非常重要的方面，即切片設(shè)備的自動化+智能化。在切片機自動化方面，為了較大限度地解放勞動力，降低勞動力成本和運行時間，一些**切片機可以實現(xiàn)自動加液、排液、自動清洗、自動刀具和提升棒。在智能化方面，基于對切割大數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控和分析，對人工切割過程進行了邏輯數(shù)據(jù)調(diào)整，使切割設(shè)備能夠在一定程度上識別切割過程中的復(fù)雜問題。學習和解決能力可以快速、準確、可重復(fù)的處理措施，從而降低斷線率，提高生產(chǎn)效率，提高切片效率。高度自動化和智能化將是未來切片設(shè)備的重要趨勢之一。

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