鮑官培，汪 煒，曹祥威

（南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇南京210016）

金剛石線鋸電解磨削切割多晶硅片的試驗(yàn)研究

鮑官培，汪 煒，曹祥威

（南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇南京210016）

基于金剛石線鋸切割系統(tǒng)，開展了金剛線電解磨削切割多晶硅片試驗(yàn)。結(jié)果表明：電解磨削復(fù)合加工方法在機(jī)械磨削的同時(shí)復(fù)合了陽極氧化和腐蝕，在硅片表面產(chǎn)生了機(jī)械損傷缺陷和電化學(xué)腐蝕缺陷。酸制絨時(shí)腐蝕反應(yīng)在兩種類型缺陷處順利進(jìn)行，形成均勻致密的絨面結(jié)構(gòu)，有效降低硅片表面反射率，有利于后續(xù)電池片光電轉(zhuǎn)換效率的提高。

金剛石線鋸；電解；磨削；多晶硅片；制絨

固結(jié)磨料線切割又稱金剛石線鋸切割，它利用電鍍或樹脂結(jié)合等方法，將金剛石顆粒附著在鋼線基體表面制成金剛石線。加工過程中，固結(jié)在鋼線上的金剛石顆粒作為切割刃具，隨著切割線高速運(yùn)動(dòng)，持續(xù)進(jìn)給的工件與切割線之間產(chǎn)生壓力進(jìn)而實(shí)現(xiàn)切割[1-2]。相比于游離磨料線切割，金剛石線鋸切割不僅效率高、精度好，而且環(huán)境負(fù)荷低、切割硅粉易回收，正逐漸取代游離磨料線切割用于太陽能硅片的制造[3-4]。目前，金剛石線鋸切割技術(shù)已廣泛用于單晶硅片的切割，但對(duì)于多晶硅片，其應(yīng)用尚存在二個(gè)障礙：一是多晶硅相對(duì)難切，較易斷線；二是現(xiàn)行的各向同性酸制絨方法對(duì)金剛石切割多晶硅片失效，表現(xiàn)在制絨所得的硅片反射率偏高及硅片表面切割紋難以去除[5-6]。

由汪煒等發(fā)明的硅片電解/磨削復(fù)合加工方法在機(jī)械磨削的同時(shí)復(fù)合了電化學(xué)作用，能顯著降低宏觀切削力，減小切割負(fù)載，減少硅片表面線痕等缺陷[7-9]。本文將該方法與金剛石線鋸切割相結(jié)合，開展了金剛石線鋸電解磨削切割多晶硅片的試驗(yàn)研究，考察復(fù)合加工對(duì)改善金剛石線鋸切割后多晶硅片制絨的影響。

1 復(fù)合加工原理

金剛石線鋸電解磨削復(fù)合加工方法基于現(xiàn)有的金剛石線鋸切割系統(tǒng)，在硅錠與切割線間加上連續(xù)或脈沖電源，利用切削液的導(dǎo)電性產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)，在機(jī)械磨削的同時(shí)復(fù)合電化學(xué)鈍化或腐蝕。試驗(yàn)系統(tǒng)原理見圖1。切割過程中，硅錠和切割線分別連接電源的正極和負(fù)極，硅錠、切割線和切削液分別成為電化學(xué)反應(yīng)的陽極、陰極和工作液。在陽極電場(chǎng)的作用下，硅錠發(fā)生陽極氧化和腐蝕形成鈍化腐蝕層，鈍化層不斷被切割線上的金剛石磨粒刮除，在露出新鮮表面后，繼續(xù)發(fā)生電化學(xué)作用，材料去除過程不斷重復(fù)。材料去除機(jī)理見圖2。

圖1 金剛石線鋸電解磨削加工系統(tǒng)原理圖

圖2 金剛石線鋸電解磨削材料去除機(jī)理

鈍化層是在陽極電場(chǎng)的作用下，由于硅基體材料和切削液中存在的氧元素發(fā)生陽極氧化反應(yīng)而形成的，其中伴隨有微弱的陽極腐蝕。因?yàn)殡娊庖褐泻写罅侩s質(zhì)，所以鈍化層表面含有疏松多孔狀的微觀缺陷。機(jī)械磨削后，鈍化層的部分微觀缺陷會(huì)殘留在切割后的硅片表面，有利于后續(xù)制絨。

2 試驗(yàn)系統(tǒng)及工藝方法

金剛石線鋸電解磨削切割試驗(yàn)系統(tǒng)見圖3。原材料選用P型多晶，電阻率為1～3 Ω·cm，切割設(shè)備為國產(chǎn)WXD170型往復(fù)金剛石線鋸切割機(jī)，電解電源型號(hào)為IT6720，金剛線線徑為0.35 mm。

圖3 金剛石線鋸電解磨削切割試驗(yàn)系統(tǒng)

為了研究電解磨削對(duì)金剛石線鋸切割多晶硅片制絨的影響，開展了金剛石線鋸電解磨削切割的對(duì)比試驗(yàn)。兩組試驗(yàn)在同一臺(tái)線鋸設(shè)備上進(jìn)行，所用的多晶硅錠和工藝參數(shù)完全一致，區(qū)別僅在于硅錠和切割線上有無外加電場(chǎng)。此外，為提高電解磨削時(shí)切削液的電導(dǎo)率，在純水中添加了適量的電解磨削專用切削液。表1是兩組試驗(yàn)的工藝參數(shù)。

表1 對(duì)比試驗(yàn)工藝參數(shù)

3 結(jié)果與分析

采用上述工藝方法切割出2片硅片，在自然光下觀察發(fā)現(xiàn)，電解磨削切割的硅片表面偏暗，對(duì)比試驗(yàn)切割的硅片表面較光亮；在光學(xué)顯微鏡下觀察發(fā)現(xiàn)，電解磨削硅片表面不僅顏色偏暗，部分區(qū)域還有腐蝕的跡象（圖4）。

圖4 光學(xué)顯微鏡下的二種硅片表面圖像

電解磨削硅片表面偏暗是因?yàn)榧庸み^程中有電化學(xué)作用，在硅片表面產(chǎn)生了一層氧化層。一方面，由于硅片表面氧化層的存在，使光線由空氣進(jìn)入硅片時(shí)的折射率有了一個(gè)漸變過程，所以硅片表面呈現(xiàn)出更暗的顏色；另一方面，由于電化學(xué)的氧化和腐蝕作用，在電解磨削硅片表面產(chǎn)生了一些微觀結(jié)構(gòu)，對(duì)入射光有陷光作用，同樣會(huì)導(dǎo)致硅片表面顏色偏暗。分別對(duì)二種硅片表面進(jìn)行EDS檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)電解磨削硅片表面含有O和Si，而對(duì)比試驗(yàn)硅片表面只有Si（圖5），其O、Si的含量見表2。

表2 二種硅片表面的O、Si元素含量%

圖5 2種硅片表面的EDS能譜圖

為了進(jìn)一步對(duì)比硅片對(duì)入射光的陷光效果，對(duì)二種硅片的光照反射率進(jìn)行了檢測(cè)，結(jié)果見圖6。從反射率曲線可看出，電解磨削硅片的反射率明顯更低，證明了電解磨削硅片對(duì)其表面入射光有一定的陷光作用。

圖6 二種硅片的反射率曲線

采用傳統(tǒng)的酸制絨工藝對(duì)二種硅片進(jìn)行制絨，對(duì)比制絨后的絨面差異。制絨液體配比為HF∶HNO3∶ H2O=1∶3∶2，其中HF質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%，HNO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為70%，在常溫下反應(yīng)2 min。制絨后的二種硅片SEM照片見圖7。可看出，電解磨削硅片表面存在的細(xì)溝槽狀陷光結(jié)構(gòu)更致密均勻，陷光效果更好。這是因?yàn)殡娊饽ハ鞴杵谇懈钸^程中除了機(jī)械磨削外，還伴隨電化學(xué)作用在硅片表面產(chǎn)生了一定的鈍化腐蝕層。在酸制絨時(shí)，腐蝕反應(yīng)在硅片表面的機(jī)械損傷缺陷和電化學(xué)腐蝕缺陷處均能順利形成絨面結(jié)構(gòu)。而對(duì)比試驗(yàn)硅片表面僅存在機(jī)械損傷缺陷，不存在電化學(xué)腐蝕缺陷，制絨時(shí)腐蝕反應(yīng)只能在機(jī)械損傷缺陷處發(fā)生，所以制絨后的硅片表面絨面結(jié)構(gòu)的均勻性和緊密性都比電解磨削硅片差。

圖7 二種硅片制絨后的SEM圖片

對(duì)二種硅片制絨后的光照反射率進(jìn)行檢測(cè)，由圖8可看出，電解磨削硅片制絨后的反射率更低，說明其表面存在的均勻致密、溝槽狀的陷光結(jié)構(gòu)能有效降低入射光的反射率，提高對(duì)光線的吸收效果，有利于后續(xù)電池片光電轉(zhuǎn)換效率的提高。

圖8 二種硅片制絨后的反射率曲線

4 結(jié)論

本文基于金剛石線鋸切割系統(tǒng)開展金剛線電解磨削切割多晶硅片的對(duì)比試驗(yàn)，分別對(duì)切割后的硅片表面形貌、反射率及制絨后的絨面結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)和觀察，得出如下結(jié)論：

（1）通過對(duì)切割后的硅片表面形貌及表面元素成分的檢測(cè)，證明了金剛石線鋸電解磨削復(fù)合加工的多晶硅片表面有鈍化層生成，且有腐蝕跡象，電解磨削硅片表面偏暗，表面反射率低。

（2）采用傳統(tǒng)的酸制絨體系對(duì)二種硅片進(jìn)行制絨，檢測(cè)制絨后的絨面結(jié)構(gòu)和反射率，證明了電解磨削切割后的多晶硅片表面能獲得更均勻致密的細(xì)溝槽狀絨面結(jié)構(gòu)，有效降低了硅片表面反射率，有利于后續(xù)電池片光電轉(zhuǎn)換效率的提高。

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Experimental Study on Electrochemical Grinding Machining of Polycrystalline Silicon Wafer with Diamond Wire Saw

Bao Guanpei，Wang Wei，Cao Xiangwei
（College of Mechanical and Electrical Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China）

The polycrystalline silicon wafers were sliced by electrochemical grinding method based on the diamond wire saw system.The electrochemical grinding experimental results show that the etching happens at the defects that caused by grinding and electrochemical reaction during the process of texturing.And the uniform and dense microstructure was formed on the surface of polycrystalline silicon wafer by acid wet texturing.The microstructure can reduce the surface reflectivity effectively and is better for the improvement of photoelectric conversion efficiency for cells.

diamond wire saw；electrochemical；grinding；polycrystalline silicon wafer；texturization

TG662

A

1009－279X（2016）06－0041-03

2016-05-04

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51175259）

鮑官培，男，1988年生，博士研究生。