金刚石线锯切割多晶硅片力学性能及其改善

摘要

金刚石线锯切割技术有切割速率高、环境负荷小等突出优点,已逐渐在单晶硅片切割生产中取代砂浆线锯切割技术。但金刚石线锯切割多晶硅片存在抗断裂性能较差问题,是限制其应用发展的潜在障碍之一。本文针对这一问题系统地研究了金刚石线锯切割多晶硅片沿切割纹方向和垂直切割纹方向的力学性能,包括表观弯折弹性模量和抗断裂性能,并探究了抗断裂性能的改善方法。为通过参照加深理解,我们基本平行地对单晶硅片和砂浆线锯切割硅片也进行了研究考察。
　　用三点弯折测试法测量了硅片的表观弯折弹性模量,并通过脉冲激振测试和弹性模量的各向异性计算,分析测量结果。结果表明,多晶硅片的弹性模量高于单晶硅片;硅片表观弯折弹性模量低于其理论值,这是硅片表面粗糙度造成有效厚度降低的反应;硅片切割工艺和弯折方向与切割纹方向的关系都会对硅片的表观弯折弹性模量造成可观影响。
　　进一步通过三点弯折测试法测量了各种硅片样品的断裂临界应变,以之评价硅片的抗断裂性能。结果显示,与砂浆线锯切割硅片相比,金刚石线锯切割硅片在沿切割纹方向上临界应变较高,但在垂直切割纹方向上更易断裂;金刚石线锯切割多晶硅片垂直切割纹方向的临界应变上只有砂浆线锯的57％,这将使其在电池生产过程中碎片率过高。为考察表面状态对硅片临界应变的影响,我们研究测量了经化学腐蚀抛光处理的金刚石线锯切割多晶硅片,发现抛光显著提高了硅片的临界应变,且提高程度随抛光加深而增大,与此同时临界应变的分散度也明显增大;此外还发现沿切割纹方向的提高效果优于垂直切割纹方向。
　　研究发现,多晶硅片太阳电池制造中的酸刻蚀制绒过程对金刚石线锯切割多晶硅片抗断裂性能有显著影响,大体上,富HNO3体系溶液制绒能提高硅片的临界应变,而富HF体系溶液制绒却会降低其临界应变;此外减少刻蚀配方中水的比例以及提高过程温度也有提高硅片临界应变的效果。退火处理也能有效提高临界应变,研究发现所需温度并不高,400℃的低温退火即可使金刚石线锯切割多晶硅片的临界应变提高到和砂浆线锯切割多晶硅片相似的水平。文中对硅片断裂机制及两类改善硅片抗断裂性能的机制进行了分析讨论。

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第1章 绪论

1.1 光伏产业现状及占主导地位的晶硅太阳能电池技术

1.2 金刚石线锯切割技术及其在硅片生产中的应用发展

1.3 金刚石线锯切割多晶硅片技术存在的问题

1.4 本文研究内容和目的

第2章 硅片的表观弯折弹性模量

2.1 引言

2.2 实验方法

2.3 结果与讨论

2.4 本章结论

第3章 金刚石线锯切割多晶硅片的抗断裂性能

3.1 引言

3.2 实验方法

3.3 结果与讨论

3.4 本章结论

第4章 金刚石线锯切割多晶硅片抗断裂性能的改善

4.1 引言

4.2 实验方法

4.3 结果与讨论

4.4 本章结论

第5章 总结与展望

5.1 研究总结

5.2 进一步研究与开发展望

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果