单晶硅片切割技术发展趋势分析

硅片薄片化不仅有效降低了硅材料的消耗，而且体现了硅片的柔韧性，给电池和组件端带来了更多的可能性。硅片薄片化不仅受切片设备、金刚线、工艺等的限制，还受到电池和组件技术的需求变化。例如，异质结电池（HIT）的对称结构。低温或无应力工艺可以完全适应较薄的硅片，其效率不受厚度的影响。即使减少到100μm左右，短路电流ISC的损失也可以通过开路电压VOC得到补偿。

切割薄片需要对切割设备和切割工艺提出更高的要求。在高速条件下需要实现更高的切割稳定性；切割液体系统需要更好的引入、冷却、润滑和排屑；金刚线需要更好的颗粒均匀性和更好的切割能力。其他插件机。清洗机。分拣机也需要相应的优化。在切割过程中，超薄片更容易弯曲。以及刀的边缘翘曲，因此需要在工艺端与设备。金刚线有更好的匹配度。
目前，单晶硅片的大规模生产厚度为170~180μm，阳光能源和部分企业拥有单晶140μm的切割技术。在阳光能源与日本夏普合作的N晶棒业务中，N硅片的实际厚度可达到100-120μm，具有充分的韧性。由于电池和部件技术的发展，硅厚度的变化趋势如下图1所示。
硅片变大
未来光伏产业链对硅片的另一个重要需求，即大型硅片，几乎已成为行业无可争辩的事实。基于产业链各环节的设备。在人力投资不变的前提下，硅片尺寸的增加增加了从硅片、电池、部件到电站的产能输出和利益收入，相当于部分劳动力、折旧、水电、建设等成本投资的摊销。目前，市场上有156.75mm（M2）、158.75mm（G1）、166mm（M6）、210mm（G12）等尺寸共存。2020年，阳光能源将重点推出一系列新产品，重点关注166硅片。
大型硅片在切片端的推广主要体现在切割设备与大型硅棒的兼容性上。目前，市场上现有的金刚线**切片机不适用于G12大型硅片。此外，大尺寸和薄片之间存在一定的对立性。大型硅片在切割薄片时对切片机提出了更高的要求。金刚线和切割工艺提出了更高的要求，以减少碎片。电视台。线条痕迹，以及大型薄片可能产生的弯曲和翘曲。
硅片变形
目前，该行业将硅片尺寸分为方形和方形。方形硅片示意图如图2和图3所示。
2020年，随着硅材料成本的不断下降和单晶硅片产能过剩，方单晶硅片标准在行业内的推广也将加快。从表中可以看出，M2.G1.M6方单晶硅片的面积分别比准方单晶硅片的面积增加了0.56%.0.85%.0.50%。方单晶较大的优点是可以提高组件的效率，解决半组件串间距形成不规则形状的问题，使组件更加美观。
在方单晶生产中，树脂板的规格和胶量需要在切片粘棒环节进行调整。在切割过程中，主要优化进刀和收刀位置的小工艺。一般来说，它对切片环节影响不大。
未来金刚线切割硅片本身的发展维度。
投资成本下降。
(1)高速高产能减少单GW投资。
在硅材料的切割过程中，材料的去除方法主要表现为脆性断裂切除和塑性变形切除。脆性断裂切除会在硅材料的切割**部产生裂纹，增加硅片表面的损伤；塑性变形切除是在塑性区域切除硅棒。
根据断裂力学理论和硅材料的特点，当金刚石磨粒的较大切割深度大于硅材料的临界切割深度时，塑性切割将过渡到脆性断裂切割。因此，在金刚线承载范围内，在多线切割过程中适当提高钢线速度，有利于去除延伸区域内的硅材料，提高硅片表面的质量。此外，线速的提高可以在一定程度上提高金刚线的切割能力，从而适当地增加台速，缩短工艺时间。下表是不同线速条件下的切割比较。随着线速的提高，工艺时间的缩短，单台日产能的提高。
对于切片设备制造商，在考虑降低成本的同时，需要进一步提高设备的整体稳定性，特别是张力控制的稳定性。主轴轴承箱的稳定性和设备强度。目前，市场上主流的切片线速度为1800~2100m/min。自2017年以来，切片机线速度的提高开始分化。到2019年，由于技术路线的选择和自身研发能力的限制，一些金刚线**切片机制造商将保持1800m/min，一些研发能力强的制造商将继续将线速提高到2400m/min，以提高技术壁垒。随着切割设备和金刚线技术的提高，线速将进一步提高。对未来发展趋势的预期如下图4所示。
随着金刚线切割能力的提高，切割线速度的提高可以进一步提高切割进入刀台的速度，即缩短每刀切割时间，提高每台设备的日产能。2016年，每GW的产能需要近40台切片机，目前随着线速和装载能力的提高，每GW的产能只需要16台切片机；随着切割线速度的进一步提高。随着大硅片趋势对单片功率的提高，在不久的将来，每GW切片机的投资将会减少。因此，固定资产的投资，以及后期水电成本。维护成本。劳动力成本将会降低。
(2)小型单GW厂房切割设备占地面积减少。
除了主轴电机、主辊润滑冷却、主辊切割室精度、切割冷却润滑系统等方面外，切割机还需要实现更高的稳定性和高线速，还需要优化设备的整体结构。金刚线关闭。接线路径需要进一步缩短，以减少张力波动。在未来提高切割设备性能的同时，整体结构将更加紧凑和小。单台设备占地面积的减少也大大降低了新工厂单GW工厂的占地面积，可以在一定程度上降低工厂的投资成本。
运营成本下降。
切片厂从硅棒到较终切片。分拣、包装、硅成本和非硅成本的比例如下图5所示。非硅成本主要包括金刚线。其他材料。劳动力成本。水电成本。折旧和其他成本。
因此，对于切片厂的运营来说，降低运营成本较简单粗暴的方法就是硅多片。硅片质量高，人工水电成本降低。
(1)细线化薄片化切割带来的低成本加工方法。
随着光伏成本降低的不断推进，不难发现金刚线将继续沿着更多的电影生产方向发展。切割速度更快，线路消耗更少。硅片更薄。镀金钢线直径不断细化，有利于减少硅接缝切割，减少硅材料损失，提高硅片生产率。
目前，金刚线的细线化进程远快于预期。随着单晶市场份额的全面提升，预计2020年，单晶45金刚线将在客户端稳定大量使用。单晶硅金刚线直径的变化趋势如图6所示。
薄片切割还可以减少硅的损失，提高出片率。如图7和图8所示，片数随片厚度的下降和片厚度的下降。
(2)优质切割硅片。
优质硅片主要体现在低TV.低线痕。对于大型硅片.薄片，还需要考虑低碎片率.无崩边.弯曲.翘曲等。
高质量硅片的切割，设备端发现相同的切割工艺，主辊材料。不同的槽参数，电视性能差异很大。此外，主辊组装精度高。低跳动也能有效地控制线网的抖动，提高硅片的加工质量。金刚线端，减少金刚线微粉粒径，也能提高硅片的切割质量。但粒径不能无限减小，当粒径减小到一定程度时，材料去除机制会发生变化，但会降低加工的表面质量。根据切割发现，相同的切割工艺，母线直径相同，金刚砂粒径越小。均匀性越好，有利于提高硅片的质量。
以93%的硅片良率为例，每公斤单晶硅棒可生产约51片。如果良率提高到95%，每公斤硅棒可多生产1片。按每片3.07元的单晶硅片计算，相当于每片硅片的生产成本降低了3.07/51。因此，优质硅片有利于硅片厂运营成本的降低。
优质硅片不仅可以提高硅材料的利用率，还可以满足未来电池PERC、HIT等高端需求。因此，优质硅片值得更高的价格，赢得客户的信任和满意，从而在切片环节获得更高的利润。
(3)智能工厂。
随着光伏产业成本降低的加快和2020年疫情的影响，对智能工厂的需求将进一步引起人们的关注。智能工厂不仅可以大大降低劳动力成本投入，还可以提高效率，降低企业管理和运营成本。典型的智能工厂结构如下图9所示，一般包括现场层。控制层。操作层。企业层。数据库。通信系统。
智能化的建设在很大程度上取决于现场层的自动化程度。毕竟，智能上层结构相对成熟。切片环节较典型的自动化是自动检查棒、棒粘贴系统和切片自动上下棒。从阳光能源整个产业链的自动化程度来看，下游产业的自动化程度远**上游产业。因此，阳光能源目前正在积极推进拉晶。切片环节的自动化生产提高了整个产业链的自动化和智能化水平。智能工厂较终将成为光伏切片企业的较终模式。

智能切片环节还有一个非常重要的方面，即切片设备的自动化+智能化。在切片机自动化方面，为了较大限度地解放劳动力，降低劳动力成本和运行时间，一些**切片机可以实现自动加液、排液、自动清洗、自动刀具和提升棒。在智能化方面，基于对切割大数据的实时监控和分析，对人工切割过程进行了逻辑数据调整，使切割设备能够在一定程度上识别切割过程中的复杂问题。学习和解决能力可以快速、准确、可重复的处理措施，从而降低断线率，提高生产效率，提高切片效率。高度自动化和智能化将是未来切片设备的重要趋势之一。

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