粘棒方法及切割铸造多晶硅棒的方法与流程

本发明涉及铸造多晶硅棒切片加工技术领域，尤其涉及一种切割铸造多晶硅棒工艺中的粘棒方法及切割铸造多晶硅棒的方法。

背景技术：

随着能源危机以及雾霾、温室效应等环境问题的日趋严重，能源转型迫在眉睫。由于光伏能源具备清洁无污染，储量大等优势，光伏行业受到各国政府的大力支持，技术上取得了巨大的进步，得到越来越广泛的应用，太阳能成为当今最具发展潜力的新能源之一。

在过去的十年间，随着光伏贸易争端的升级以及行情的波动，光伏产业出现过产能过剩的现象，但市场对光伏清洁能源的需求仍会稳步增加，光伏发电已经进入大规模推广应用的时代。

实现光伏发电的器件是太阳能电池，主要分为晶硅(分为单晶和多晶)、薄膜以及第三代太阳能电池，其中技术最成熟、应用最广泛的就是晶硅太阳能电池，从目前的技术发展趋势来看，晶硅电池在未来10年内仍将保持其主导地位。时至今日，光伏行业推广的最大问题仍然在于能否实现平价上网，达成平价上网的目标，是各个光伏企业的奋斗目标和努力方向，因此，唯有不断降低光伏制造的成本，才能使得光伏能源具备竞争性，得到市场的认可。对于晶体硅太阳能电池，其硅片成本占总成本25-30％，而硅片的加工成本占到硅片成本的35％左右，硅片加工成本的降低是硅片环节降低成本的主要方向。

现有技术中，硅片加工技术主要有多线砂浆切割和金刚线切割2种。其中，多线砂浆切割是广泛采用的技术，其加工原理是由切割线的运动将磨料带到切割区域，在切割线的高速运动下，磨料在硅晶体表面滚动、摩擦、嵌入到材料的加工表面，使之产生裂纹和破碎，最终实现材料去除的目的。该技术的关键在于磨料的切割能力以及切割过程中的热力学行为，在实际应用中，选用聚乙二醇和碳化硅配置成悬浮液，通过砂浆管把砂浆罐内的砂浆喷撒到线网上，利用钢线携带砂浆与硅棒相对磨削达到切割的目的，同时，切割中使用过的砂浆通过回流系统再次流回到砂浆罐中，砂浆循环使用直至切割完成。而金刚线切割是将金刚石采用粘接或电镀的方式固定在直钢丝上进行高速往返切割，其优势主要体现在以下方面：(1)切割效率提升明显，大大降低了设备折旧；(2)锯缝损失较少，硅料成本降低；(3)硅片表面粗糙度及表面残留金属杂质含量低，电池效率有约0.1-0.2％的提升；(4)环保，使用水性切削液，避免了高COD聚乙二醇的引入。

基于上述切割优势，单晶已经通过引入金刚线切割技术大幅降低了硅片成本，市场占比逐渐增加。对于占据市场份额70％以上的多晶而言，采用金刚线切割技术是唯一的方向，但相对于单晶，多晶因其较高的位错和晶界密度，其弹性模量要高于单晶30-50％；且多晶硅棒较高的硬质点比例使得多晶硅片采用金刚线切割存在一定的技术障碍。

技术实现要素：

本发明的目的之一在于提出一种切割铸造多晶硅棒工艺中的粘棒方法，能够较好地应用硅棒的特性，使得粘接后的硅棒组降低对切割线的磨损。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供一种切割铸造多晶硅棒工艺中的粘棒方法，包括以下步骤：

将表面研磨好的硅棒按照分区不同粘接在基座上并进行固化，形成硅棒组，待切割使用。

进一步地，所述硅棒的粘接具体为：依据硅棒在硅锭中所处的位置不同其硬度不同、杂质分布不同的特点，将硅棒分为A区硅棒、B区硅棒、C区硅棒，在粘接硅棒时，

进线侧粘接B区硅棒或C区硅棒，且硅棒的顶端朝向进线的方向；

线网中部粘接C区硅棒，且硅棒的顶端朝向进线的方向；

出线侧粘接A区或B区硅棒，且硅棒的顶端朝向出线的方向。

进一步地，所述基座包括工件板和树脂板，其中，所述工件板和所述树脂板的外形尺寸一致，所述树脂板通过树脂胶粘接在所述工件板上；所述硅棒粘接在所述树脂板上；

所述固化时间为4-6小时。

本发明所述的切割铸造多晶硅棒工艺中的粘棒方法，通过对硅棒进行分区的方式，对每个区的硅棒进行区分，然后在粘接时按照不同区的硬度、杂质不同的特性，进行粘棒，因而能够较好地应用硅棒的特性，使得粘接后的硅棒组降低对切割线的磨损。

本发明的目的之二在于提出一种切割铸造多晶硅棒的方法，能够减少切割线在布线及切割过程中的磨损，以增加切割效率，降低切割成本。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

本发明还提供一种切割铸造多晶硅棒的方法，包括以下步骤：

S1、粘棒；

所述粘棒方法为上述粘棒方法；

S2、线网布线；

将步骤S1中粘好的硅棒组安装至切割机的加工室；

将切割用的切割线从切割机的放线室的放线轮上引出，通过小导轮将切割线布置在主辊上对应的线槽内，当主辊切割线布置一部分后，进行分线网作业，预留与所述硅棒组的硅棒之间的拼缝个数相同的线网缝隙；

待切割线布满整个主辊后，将切割线的线头引出至切割机的收线室的收线轮，完成线网的布线工作；

S3、调整线网缝隙；

根据步骤S1中粘好的硅棒组的硅棒之间的拼缝位置，调整线网缝隙的位置；

S4、切割；

切割完成后，停机、取下硅棒组，对切割形成的硅片进行脱胶、清洗和分选，完成多晶硅片的加工。

进一步地，步骤S2中，相邻两个所述硅棒之间的拼缝宽度为0.5-1mm；线网缝隙宽度为4-5mm。

进一步地，步骤S2中，所述切割机的放线室和/或收线室内设置有冷却液供给装置，所述冷却液供给装置将冷却液均匀地供给切割线，以使切割线表面形成一定的冷却液膜，增加切割线的润滑性，以减少切割线在布线过程中的跳线压线情况或收线轮切割线互相摩擦造成切割线的磨损。

进一步地，所述冷却液供给装置包括储液槽，所述储液槽中装有冷却液，所述储液槽的正上方设置有喷淋头，所述储液槽的底部连接有冷却液出水管，所述冷却液出水管连接所述喷淋头，以供给冷却液给所述喷淋头。

进一步地，所述储液槽的相对的两侧部开设有通孔，以供所述切割线进出；其中，

所述通孔低于所述喷淋头，高于所述冷却液的液面；或

所述通孔低于所述冷却液的液面，所述通孔处设置有液流阻挡装置。

进一步地，所述通孔的直径为1-3mm。

进一步地，步骤S4中，所述切割步骤具体为：

打开冷却液供应系统，冷却液流量设置为8000-10000立方/小时，左右两侧建立相应的张力12-25N，热机循环；热机结束后，按照线速10-25m/s和台速0.2-1.4mm/min，进行切割。

本发明所述的切割铸造多晶硅棒的方法，通过上述的粘棒方式进行粘棒，对进线侧、线网中部和出线侧按照切割线行径方向合理设置不同区域的硅棒，并配合硅棒的顶端朝向，从而很好地利用了硅锭的不同位置区域的硅棒的硬度和杂质特点、以及切割线的切割特性，减少切割线在布线及切割过程中切割线的磨损，以增加切割效率，降低切割成本。

附图说明

图1是本发明实施例所述粘棒方法形成的硅棒组的结构示意图；

图2是本发明实施例所述粘棒方法的硅锭中的硅棒区域划分示意图；

图3是本发明实施例所述切割铸造多晶硅棒的方法流程示意图；

图4是本发明实施例所述切割铸造多晶硅棒方法中的切割机的结构示意图；

图5是本发明实施例所述冷却液供给装置的结构示意图。

图中：1、工件板；2、树脂板；3、硅棒；3-1、第一位置；3-2、第二位置；3-3、第三位置；

10-放线轮；11-第一主辊；12-第二主辊；13-切割线；14-收线轮；15-第一冷却液供给装置；16-第二冷却液供给装置；17-第一喷淋装置；18-第二喷淋装置；

101-储液槽；102-喷淋头；103-冷却液补充口；104-排污口；105-冷却液；106-过滤系统和水泵。

具体实施方式

下面结合附图1-5并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

本发明提供一种切割铸造多晶硅棒工艺中的粘棒方法，包括以下步骤：将表面研磨好的硅棒按照分区不同粘接在基座上并进行固化，形成硅棒组，待切割使用。

具体地，如图1所示，基座包括工件板1和树脂板2，工件板1和树脂板2的外形尺寸一致，树脂板2通过树脂胶粘接在工件板1上；硅棒3粘接在树脂板2上，最终由工件板1和树脂板2以及其上的硅棒3共同组成粘棒形成的硅棒组。

在粘接完成后，需要一定时长的固化处理，该固化时间为4-6小时，例如，固化时间可以为4小时、4.2小时、4.4小时、4.5小时、4.6小时、4.8小时、5小时、5.1小时、5.2小时、5.4小时、5.5小时、5.7小时、5.8小时、5.9小时、6小时。

如图2所示，硅棒的分区是指，依据硅棒在硅锭中所处的位置不同其硬度不同、杂质分布不同的特点，将硅棒3分为A区硅棒、B区硅棒、C区硅棒。

这种划分方式中，一般硅锭为长方体形状，从硅锭的俯视方向看去，如图2所示，位于四角的位置划分为A区，由A区切割出的硅棒则为A区硅棒；位于硅锭的四边且在同一边的两个A区之间的位置划分为B区，由B区切割出的硅棒则为B区硅棒；位于A区与B区围成的区域，也即硅锭中心区域为C区，由C区切割出的硅棒则为C区硅棒。

由于硅锭在生成过程中，石英坩埚相对硅料来说其杂质含量高，当硅锭相对于石英坩埚的距离越小，硅锭受到杂质侵蚀或固态扩散影响越大，造成杂质含量越高；另外，固液界面是微凸型，根据杂质分凝原理，分凝系数小于1的杂质会优先向顶部及四周聚集，造成该区含量高；除此之外，硅锭的硬度与退火充分及碳含量相关，一般顶部及四周因碳含量高(碳在硅中的分凝系数小于1)以及冷却速度过快，硬度大。因此，在基于上述原则划分后，A区硅棒的硬度大于B区硅棒的硬度，B区硅棒的硬度大于C区硅棒的硬度；A区硅棒的杂质含量大于B区硅棒的杂质含量，B区硅棒的杂质含量大于C区硅棒的杂质含量。

正因为这种不同的硬度和杂质含量，从而巧妙地配合切割线切割特性，硅棒3的粘接具体为：依据硅棒在硅锭中所处的位置不同其硬度不同、杂质分布不同的特点，在粘接硅棒时，进线侧的第一位置3-1粘接B区硅棒或C区硅棒，且硅棒的顶端朝向进线的方向；线网中部的第二位置3-2粘接C区硅棒，且硅棒的顶端朝向进线的方向；出线侧的第三位置3-3粘接A区或B区硅棒，且硅棒的顶端朝向出线的方向。

其中，如进线侧优先粘接B区硅棒，使得新进入的切割线13在硬度适中的硅棒中磨损，避免磨损过多造成出线侧切不透硅棒，同时也避免磨损过少造成进线侧切割过深造成掉片。

线网中部则粘接硬度较低的C区硅棒，由于在双向切割时，线网收放两侧张力较大，线网中间张力最小，张力较小对硅棒切割力较弱，因此适宜粘接C区硅棒。

出线侧则可以选用硬度较大的A区硅棒，有助于减少出线断线的损失。

通过上述粘棒方法形成的硅棒组，其作为一个模块进行安装使用，不仅能够一次性解决进线和出线方向适当硬度和杂质的硅棒的布局，以配合切割线13在不同切割区域都具有良好切割，提高切割效果。

如图3所示，本发明提供一种切割铸造多晶硅棒的方法，包括以下步骤：

S1、粘棒；所述粘棒方法为所述的粘棒方法。

S2、线网布线；将步骤S1中粘好的硅棒组安装至切割机的加工室；将切割用的切割线13从切割机的放线室的放线轮10上引出，通过小导轮将切割线13布置在主辊上对应的线槽内，当主辊切割线13布置一部分后，进行分线网作业，预留与所述硅棒组的硅棒之间的拼缝个数相同的线网缝隙。

待切割线13布满整个主辊后，将切割线13的线头引出至切割机的收线室的收线轮14，完成线网的布线工作。

步骤S2中，相邻两个所述硅棒3之间的拼缝宽度为0.5-1mm。其中，拼缝宽度可以为0.5mm、0.6mm、0.7mm、0.8mm、0.9mm、1mm。

步骤S2中，线网缝隙宽度为4-5mm。其中，线网缝隙宽度为4mm、4.1mm、4.2mm、4.3mm、4.4mm、4.5mm、4.6mm、4.7mm、4.8mm、4.9mm、5mm。

步骤S2中，所述切割机包括放线室、收线室、设置于放线室和收线室之间切割硅棒3的切割部，放线室内设置放线轮10，收线室内设置收线轮14，切割部设置有第一主辊11和第二主辊12，放线轮10上的金刚线13绕过第一主辊11和第二主辊12后收卷于收线轮14上。其中，放线室和/或收线室内设置有冷却液供给装置，所述冷却液供给装置将冷却液105均匀地供给切割线13，以使切割线13表面形成一定的冷却液膜，增加切割线13的润滑性，以减少切割线13在布线过程中的跳线压线情况或收线轮切割线互相摩擦造成切割线13的磨损。

其中，第一主辊11上设置有第一喷淋装置17，第二主辊12上设置有第二喷淋装置18。第一喷淋装置17和第二喷淋装置18用于切割过程中的冷却液供给，减少切割过程的摩擦，提高切割效率。

如图4所示，位于所述放线室内的所述冷却液供给装置为第一冷却液供给装置15，位于所述收线室内的所述冷却液供给装置为第二冷却液供给装置16。第一冷却液供给装置15和第二冷却液供给装置16为两个独立的冷却液供给系统，其独立控制。

如图5所示，冷却液供给装置包括储液槽101，储液槽101中装有冷却液105，储液槽101的正上方设置有喷淋头102，储液槽101的底部连接有冷却液出水管，冷却液出水管连接喷淋头102，以供给冷却液105给喷淋头102。在工作时，预先在储液槽101中存放冷却液105，冷却液105的液面与喷淋头102的底面之间有一定的高度差。切割线13从储液槽101的外部进入储液槽101的内部，经过储液槽中的冷却液，直接浸入冷却液中，或者，通过冷却液出水管将冷却液供给给喷淋头102，由喷淋头102将冷却液喷洒在切割线13上。

在此过程中，切割线13进入储液槽101的方式可以为，通过导轮从储液槽101的顶部开口处进入，经过冷却液105与喷淋头102之间后，再从储液槽101的顶部开口处出线。这种方式绕线较为复杂，因此，在本实施例中，储液槽101的相对的两侧部开设有通孔，以供切割线13进出。

作为一种优选，通孔低于喷淋头102，高于冷却液105的液面；这时，金刚线13进入储液槽之后，悬空于冷却液与喷淋头102之间，由喷淋头102将冷却液喷洒在金刚线13上，喷洒后的冷却液再浸入储液槽的冷却液中，循环使用。

作为另一种优选，通孔低于冷却液的液面，通孔处设置有液流阻挡装置；这时，通孔浸入冷却液中，金刚线13直接浸入储液槽的冷却液中，而喷淋头102则作为冷却液循环的通道，不用于清洗金刚线13，此时，金刚线在冷却液内高速运行，通过金刚线表面液体的对流，直接去除金刚线表面沉积的硅粉。在此实施例中，为了避免冷却液跟随金刚线13经通孔流出造成浪费，通过液流阻挡装置实现对通孔的堵塞。具体地，液流阻挡装置可以为密封塞，其能够用于金刚线通过，但能够与金刚线之间形成一定的密封。

其中，通孔的直径为1-3mm。优选的，通孔用于配合切割线13进出，因而通孔的直径大于切割线13的直径，具体地，通孔的直径可以为1.2mm、1.4mm、1.6mm、1.8mm、2.0mm、2.2mm、2.4mm、2.6mm、2.8mm、3.0mm。

进一步的，冷却液出水管设置有过滤系统和水泵106。利用过滤系统和水泵106进行冷却液抽取，因而保证冷却液供给装置的喷淋可靠性。

进一步的，储液槽101的上侧部设置有冷却液补充口103。利用冷却液补充口103可以实时补充冷却液，保证储液槽101中的冷却液105的量，进而保证整个切割过程中持续循环。

进一步的，储液槽101的底部设置有排污口104。通过排污口104可以定期对储液槽101中的脏污清理，保证冷却液的洁净度，从而避免脏污粘在切割线上影响切割。

优选的，冷却液供给装置中的冷却液为切割线水性冷却液与纯水的混合物，该冷却液的质量浓度为25-100％。进一步优选的，冷却液的质量浓度为25％、28％、35％、42％、48％、55％、60％、62％、66％、71％、75％、80％、83％、87％、90％、91％、93％、96％、98％、100％。

S3、调整线网缝隙；

根据步骤S1中粘好的硅棒组的硅棒之间的拼缝位置，调整线网缝隙的位置。

S4、切割。

其中，切割可以为单向切割，也可以为双向切割，优选的，在本实施例中，切割为双向切割。

切割具体为：打开冷却液供应系统，冷却液流量设置为8000-10000立方/小时，左右两侧建立相应的张力12-25N，热机循环；热机结束后，按照线速10-25m/s和台速0.2-1.4mm/min，进行切割。

切割完成后，停机、取下硅棒组，对切割形成的硅片进行脱胶、清洗和分选，完成多晶硅片的加工。

上述切割铸造多晶硅棒的方法不仅适用于金刚线切割，还适用于砂浆切割，下面通过金刚线切割和砂浆切割进一步说明该切割的方法。

一、金刚线切割：

金刚线切割铸造多晶硅棒的方法，包括以下步骤：

S1、粘棒；

所述粘棒方法为上述粘棒方法；

S2、线网布线；

将步骤S1中粘好的硅棒组安装至切割机的加工室；

将切割用的金刚线从切割机的放线室的放线轮10上引出，通过小导轮将金刚线布置在主辊上对应的线槽内，当主辊金刚线布置一部分后，进行分线网作业，预留与所述硅棒组的硅棒之间的拼缝个数相同的线网缝隙；

待金刚线布满整个主辊后，将金刚线的线头引出至切割机的收线室的收线轮14，完成线网的布线工作；

S3、调整线网缝隙；

根据步骤S1中粘好的硅棒组的硅棒之间的拼缝位置，调整线网缝隙的位置；

S4、切割；

打开冷却液供应系统，冷却液流量设置为8000-10000立方/小时，左右两侧建立相应的张力12-15N，热机循环；热机结束后，按照线速20-25m/s和台速0.6-1.4mm/min，进行双向切割；

切割完成后，停机、取下硅棒组，对切割形成的硅片进行脱胶、清洗和分选，完成多晶硅片的加工。

研究发现，决定切割效率的主要因素是金刚石尖锐程度及在切割过程的磨损脱落量，由于多晶硅棒硬质点较多，切割多晶硅棒时金刚石颗粒的磨损量较大，因而粘接硅棒时，依据硅棒在硅锭中的位置不同其硬度不同以及杂质分布的特点，结合金刚线切割工艺设定相应的粘棒规则，使得金刚线表面的金刚石在切割过程均匀磨损，提高切割效率；另一方面，金刚线切割硅棒时，硅粉容易附着在金刚线表面，降低了金刚石的突出量，降低了切割能力，因而在布线网过程中使用冷却液供给装置，在切割过程中使用冷却液供给装置，因而在金刚线进入切割区域前，优先在金刚线表面供给冷却液，使得硅粉不易粘附在金刚线上，增加了金刚石突出量，增加了切割力，提高了切割效率，降低了切割加工成本。

二、砂浆切割；

砂浆切割铸造多晶硅棒的方法，包括以下步骤：

S1、粘棒；

所述粘棒方法为所述的粘棒方法；

S2、线网布线；

将步骤S1中粘好的硅棒组安装至切割机的加工室；

将切割用的钢线从切割机的放线室的放线轮10上引出，通过小导轮将钢线布置在主辊上对应的线槽内，当主辊钢线布置一部分后，进行分线网作业，预留与所述硅棒组的硅棒之间的拼缝个数相同的线网缝隙；

待钢线布满整个主辊后，将钢线的线头引出至切割机的收线室的收线轮14，完成线网的布线工作；

S3、调整线网缝隙；

根据步骤S1中粘好的硅棒组的硅棒之间的拼缝位置，调整线网缝隙的位置；

S4、切割；

打开冷却液供应系统，冷却液流量设置为8000-10000立方/小时，左右两侧建立相应的张力22-25N，热机循环；热机结束后，按照线速10-15m/s和台速0.2-0.4mm/min，进行单/双向切割；

切割完成后，停机、取下硅棒组，对切割形成的硅片进行脱胶、清洗和分选，完成多晶硅片的加工。

对于砂浆切片，切割效率主要取决于碳化硅及钢线的磨损量，由于多晶硅棒硬质点较多，切割多晶硅棒时钢线在此区域的磨损量较大，严重时直接造成钢线断线，因而粘接硅棒时，依据硅棒在硅锭中的位置不同其硬度不同以及杂质分布的特点，结合切割工艺设定相应的粘棒规则，使得钢线在切割过程均匀磨损，提高硅片厚度的均匀性，减少厚度偏差带来的碎片不良；另一方面，将较硬区域或硬质点硅棒放置在出线端，即便断线，也可挽回进线端大部分损失，最大程度减少断线造成的损失。

进一步地，通过具体参数来进一步说明本发明切割铸造多晶硅棒的方法的整体步骤。

首先，选择三块表面研磨好的硅棒3，其中C区硅棒一根长度为280mm，B区硅棒一根长度为270mm，选择一根截断过的A区硅棒145mm。

提供一块规格为710*158*15mm的树脂板2，使用树脂胶将树脂板2粘接在相应规格的工件板1上。

再将B区硅棒粘接第一位置3-1处，C区硅棒粘接在第二位置3-2处，A区硅棒粘接在第三位置3-3处，两根硅棒之间的间隔为1mm，固化5小时，形成硅棒组，待切割使用。

其次，将粘好的硅棒组安装至切割机的加工室；将切割用的70规格切割线从切割机的放线室的放线轮10上引出，通过小导轮将切割线13布置在主辊上对应的线槽内。

当主辊切割线13布置到一半时，进行分线网作业，预留2个线网缝隙，缝隙宽度为4.5mm；布置线网时，在放线室设置第一冷却液供给装置15，将浓度为50％的冷却液加入第一冷却液供给装置15中，使得切割线13在经过第一冷却液供给装置15时在切割线13表面形成一定的冷却液膜，增加切割线13的润滑性，以减少切割线在布线过程中的跳线压线情况。

待切割线13布满整个主辊后将切割线13的线头引出至收线轮14，完成线网的布线工作；在收线室设置第二冷却液供给装置16，将浓度为50％的冷却液加入第二冷却液供给装置16中，冷却液均匀地供给切割线13上，使切割线13的表面形成一定的冷却液膜，增加钢线的润滑性，减少收线轮14切割线互相摩擦造成金刚石的磨损。

再次，根据硅棒的拼缝位置，调整线网缝隙的位置。

然后，完成以上工作后，打开冷却液供应系统，冷却液流量设置为8500立方/小时，左右两侧建立12N的张力，热机循环。热机结束后，按照线速25m/s和台速1.4mm/min，进行切割。

最后，切割完成后，停机、下棒，硅片进行脱胶、清洗和分选，完成多晶硅片的加工。

综上所述，本发明的方法较好地应用了硅棒的特性，使得粘接后的硅棒组不仅能够降低对金刚线的磨损，而且能够降低对普通钢线的磨损量，降低钢线断线造成的损失。

以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。