太阳能发电用P型单晶硅放电切割特性研究

太阳能发电用P型单晶硅放电切割特性研究

毕　勇,刘志东,邱明波,汪　炜,田宗军,黄因慧

(南京航空航天大学机电学院,南京　210016)

摘要:通过对P型太阳能发电用单晶硅进行伏安特性测试,检测其在直流脉冲电压下的通电电流,从进电方式和极

性选择方面研究了其特殊的电特性,建立了试验的二极管电阻(DR)电路模型,测试发现P型单晶硅具有单向导通性。随后对电阻率2.1Ω・cm的P型太阳能发电用单晶硅进行了放电切割,分别抓取了单脉冲放电电压、电流波形,进一步研究了电特性极其复杂的P型单晶硅在硅片实际切割过程中展现出来的特殊放电切割特性,发现P型单晶硅的切割电流波形呈“斜坡”式,切割后的硅片表面形貌呈“贝壳”状。结果表明,进电有效接触面积越大,P型单晶硅材料的极间电阻就越小,切割电流也就越高,同时对于P型单晶硅放电切割宜采用正极性加工。关键词:极间电阻;单向导通性;放电切割;硅中图分类号:TG662

　文献标识码:A　

文章编号:100121625(2009)0621118205

PropertiesResearchonDischargeCuttingofP2type

Mono2crystallineSolarSilicon

BIYong,LIUZhi2dong,QIUMing2bo,WANGWei,TIANZong2jun,HUANGYin2hui

(CollegeofMechanicalandElectricalEngineering,NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics,Nanjing210016,China)

Abstract:ResearchedthespecialelectricalcharacteristicsofP2typemono2crystallinesolarsiliconunderconductionmodeandpolarityselectionthroughthevolt2amperepropertytestofitwhichdetectedtheconductioncurrentofitunderD.C.pulsevoltage,andthecircuitmodelwithdiodeandresistancewascreated.

ThetestdiscoveredthatP2typemono2crystallinesiliconhadunidirectioncontinuity.

Subsequently,P2typemono2crystallinesolarsiliconwithresistivityof2.1Ω・cmwascuttingandsinglepulsevoltageandcurrentwavewasgrabbedrespectively,whichfurtherresearchedthespecialdischargecuttingpropertiesofP2typemono2crystallinesiliconwithextremelycomplicatedelectricalcharacteristicsintheactualcutting,andfoundthatcurrentwaveofP2typemono2crystallinesiliconshowed\"ramped\"andsiliconwaferaftercuttingmorphologyshowed\"conchoidal\".TheresultsshowthattheinterelectroderesistanceofP2typemono2crystallinesiliconwilldecreaseastheavailableareaoftheelectricityinterfacegrowing,butthecurrentofcuttingwillincrease,andpositivepolaritymachiningissuitablefordischargecuttingP2typemono2crystallinesilicon.

Keywords:interelectroderesistance;unidirectioncontinuity;dischargecutting;silicon

1　引　言

太阳能是一种使用方便、安全、环保、成本低廉、可以再生的新能源,而光伏发电具有无枯竭危险、安全可

基金项目:江苏省高技术研究计划资助项目(BG2007004)

作者简介:毕　勇(19852),男,硕士研究生.主要从事太阳能硅片电火花线切割的研究.通讯作者:刘志东.E2mail:liutim@nuaa.edu.cn

　第6期毕　勇等:太阳能发电用P型单晶硅放电切割特性研究　1119

靠、无噪声、无公害、能源质量高、建设周期短、获取能源花费的时间短等优点,太阳能光伏发电工程和产品正在不断涌现,无论是其规模还是应用范围都在迅速扩大,其所占份额也将逐渐增加,近年来利用晶体硅太阳

[1,2]

能电池的光伏效应发电的应用,更是呈现出井喷趋势。最近5年全球太阳能电池产量的年平均增长率均超过40%,预测到2010年仍将保持年均30%的增长率。而硅片是构成太阳能电池的核心元件,它的切割直接影响到成品太阳能电池发电效率、断路电压、短路电流、使用寿命等性能。目前,太阳能硅片切割方法主

[3]

要有:外圆切割、内圆切割、多线切割和电火花线切割(WEDM)等,笔者所在的课题组在国内率先开展了太阳能硅片高效电火花线切割研究。利用WEDM加工太阳能级硅片是一种新型的、实用的、低成本的切割方法,其重要指标为表面质量和加工效率,而影响这两大指标的因素主要有半导体本身具有的电特性、放电加工极性、工作液、脉冲电源及伺服控制策略等。WEDM是利用工件和电极丝之间的脉冲性火花放电,产

[6]

生瞬间高温使工件材料局部熔化或气化,从而实现加工的。该加工方法可以显著降低太阳能硅片的切割成本,提高材料的利用率,促使太阳能电池成本的降低,已吸引了国内外大量研究人员的注意,但放电切割效率太低甚至不能正常放电切割一直是制约该项技术推广的瓶颈,这主要是由于半导体P型硅材料具有独特的电特性,不同于传统的金属材料。为解决上述问题,本文通过建立试验等效电路模型,从进电方式和极性选择方面研究了P型单晶硅材料特殊的电特性,并结合测试结果对太阳能发电用P型单晶硅的放电切割特性进行了研究,探讨了提高其放电加工电流的方法,并对其切割电流特性和切割表面形貌进行了研究,从而为太阳能发电用P型单晶硅放电切割得到进一步的推广以及对半导体放电加工机理的研究提供了很好的参考。

[7212]

[4,5]

2　试验理论基础

进电方式是指被加工材料与放电回路构成的接触形式,包括电流输入面和输出面的形状,以及它们之间的位置关系。输入面和输出面统称为进电面。进电材料与被加工材料的接触面积称为进电有效接触面

积。

硅放电加工过程中的极间电阻一般由导线电阻、表面接触电阻及硅的体电阻组成。硅作为半导体由于其特殊的电特性,使得在不同的进电方式下,会呈现出不同的体电阻,并且与进电材料所形成的表面接触电阻也不同,从而得到不同的回路电流,而放电加工效率与回路电流的大小成正比,所以选择合适的进电方式对硅的放电切割效率的提高有着重要的影响。虽然半导体硅的电阻率分布不均匀,但对硅组成的通电回路而言,其极间电阻的减小同样可以提高回路电流。所以,在利用WEDM对硅进行持续放电加工时,可以通过改变进电方式以降低极间电阻来提高放电切割时的回路电流,进而提高加工效率。

考虑到P型单晶硅特殊的电特性,试验等效电路可以用二极管(D)和电阻(R)简单描述(图1)。

DSM代表进电端的金属导电层碳浆与硅表面形成的接触结构,可以近似看成一个处于反向偏置的二极管;RS代表硅的体电阻,与进电端有效接触面积以及环境温度密切相关;DSC代表放电端电极与硅表面形成的接触结构,可以近似看成一个处于正向偏置的二极管。

[13]

3　试验方法及分析

为了减小进电材料与硅表面形成的接触电阻以得到较为理想的试验效果,先将硅表面在浓度5%、温度40℃的KOH溶液中清洗10min,然后再用蒸馏水清洗吹干,最后在其表面均匀涂镀一层10μm厚的碳浆,在200℃的烘箱中烘30min。试验用电源为贵金属脉冲电镀电源,电极为中空不锈钢电极,进电材料为导电性碳浆,所以硅材料表面涂镀碳浆面积的大小决定了进电有效接触面积的大小,然后将涂镀碳浆的硅片置于一块铜板上,试验环境为室温(18～20℃)。每次试验均进行硅接正极(正极性试验)和硅接负极(负极性试验)两种测试试验。利用电流表检测硅在不同直流脉冲电压下的通电电流,然后把试验得到的数据根据正极性试验的数值取正,负极性试验的数值取负的原则绘制成伏安曲线。试验装置如图2所示。

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3.1　不同进电方式下的硅片伏安曲线特性试验材料为P型单晶硅片(30mm×15mm×0.3mm,电阻率为2.1Ω・cm),三种进电方式如图3所示,

三种进电方式的进电有效接触面积为硅片上涂镀碳浆的面积,其中(a)中涂镀碳浆的面积为20mm×10mm,占硅片表面积的比例为44.4%;(b)中涂镀碳浆的面积为10mm×10mm,占硅片表面积的比例为22.2%;(c)中涂镀碳浆的面积为10mm×5mm,占硅片表面积的比例为11.1%。

图4为P型单晶硅片在三种进电方式下得到的电

图3　三种进电方式:(a)进电方式一;

(b)进电方式二;(c)进电方式三Fig.3　Thereconductionmodes

流2电压伏安曲线,原点上部为正极性试验数据,下部为负极性试验数据。从图4可以看出,不管P型单晶硅

接正极还是负极,相同大小电压下,I分析认为,随着进电面涂镀碳浆面积的逐渐增大,方式一>I方式二>I方式三。

进电效果越来越好,回路极间电阻逐渐减小,因此,回路电流逐渐增大。但对于电阻率和体积一定的硅,当进电有效接触面积增大到一定程度时,进电面积的影响越来越小,此时回路电流几乎趋于稳定。

另外,从图4还可以看出,相同大小电压下,硅接正极时的回路电流明显高于硅接负极时的回路电流,例如,进电方式2在电压E=40V时的电流大约为50mA,而E=-40V时的电流大约为20mA。三种进电方式中方式3的曲线尤为突出:当硅接正极时,随着电压的增大,电流逐渐变大;当硅接负极时,随着电压的增大,电流变化很小,而且电流大小几乎趋向于零,也就是说此时硅接负极时回路基本不导通。分析认为,P型单晶硅具有单向导通性,导致正负极性试验得到的回路电流相差很大,甚至负极性时回路处于截止状态。3.2　P型单晶硅单向导通性试验

试验材料为P型单晶硅锭,电阻率2.1Ω・cm,体积分别为60mm×40mm×20mm、60mm×40mm×

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10mm,试验进电方式与方式三一样,表面涂镀碳浆的面积为10mm×5mm,同样进行正极性试验和负极性试验,得到的数据与进电方式三用硅片得到的数据绘制成曲线(图5)。

从图5可以看出,不管是硅锭1、硅碇2还是硅片,当硅接正极时,随着电压增大,电流逐渐变大;当硅接负极时,随着电压增大,电流变化很小,并且电流数值都很小,远小于硅接正极时得到的数值,进一步说明了P型单晶硅体现出来的单向导通特性。根据图1建立的DR电路原理图,P型单晶硅的单向导通性可以解释为:正极性试验时,DSC处于正向偏置,DSM处于反向偏置,DSC与DSM的共同作用的结果是回路中相当于串联了一个正向偏置的二极管,其压降可以忽略,大部分电压由RS分担,导致回路电流较大;负极性试验时,DSC处于反向偏置,DSM处于正向偏置,DSC与DSM的共同作用的结果是回路中相当于串联了一个反向偏置的二极管,导致回路处于截止状态,几乎没有电流。由此可知,由于P型单晶硅单向导通性的存在,加工极性的选择对其放电切割显得极为重要,正极性加工可以显著提高其加工电流,进而提高其加工效率。

4　放电切割实验

4.1　不同进电方式切割实验对比

利用高速走丝电火花线切割机床对电阻率2.1Ω・cm,高度125mm标准的P型太阳能发电用单晶硅锭进行了放电切割(图6),由于半导体P型单晶硅特殊的电特性,切割工艺参数选择为:放电峰值电压150V,脉宽64μs,占空比1∶10,机床进给速度15μm/s,运丝速度10m/s(表1),同时为了验证进电有效接触面积对放电切割的影响,实验选择三种进电有效接触面积不同的进电方式(表2),切割过程中使用记忆示波器截取了三种进电方式下电源输出的单脉冲放电电压、电流波形(图7)。

图6　P型单晶硅放电切割实验

Fig.6　Dischargecuttingexperimentationof

P2typemono2crystallinesilicon

表1　放电切割工艺参数

Tab.1　Parametersofdischargecutting

ProjectDischargepolarityPeakvoltageofdischarge

PulsedurationDutyratioFeedrateWirecarryingrate

Cotent

Positivepolaritymachining

150V64μs1∶1015μm/s10m/s

表2　放电切割进电方式

Tab.2　Conductionmodesofdischargecutting

Conductionmode

IIIIII

Conductionarea15mm×20mm15mm×40mm15mm×80mm

从图7可以看出,由于使用的电源是恒压输出,放电过程中,放电的维持电压基本保持不变,但不同进电方式的放电切割电流有明显变化,随着进电有效接触面积逐渐增大,放电切割电流也呈现出增大的趋势,即

IIII>III>II,符合前面所叙述的试验结果和规律。

另外,图7中每一个电流波形都呈现“斜坡”式上升特征,随着脉冲放电的进行,最终达到最大峰值电

　1122专题论文硅酸盐通报　　　　　　第28卷

流。分析认为,由于高频电源的特性以及极间电阻受温度的影响,在一个脉冲放电期间,P型单晶硅在放电通道产生的高温及热传导的综合影响下,其通过的电流大小会因为P型硅极间电阻的减小而变大。

图7　放电切割波形(a)电压(b)电流

Fig.7　Dischargecuttingwaves(a)voltage(b)current

4.2　不同加工极性切割实验对比

图8为P型单晶硅正极性加工和负极性加工对比切割实验照片。从图8可以看出,P型单晶硅正极性加工更容易,火花放电比较明显,而负极性加工的火花很小甚至看不到火花,也就是说P型单晶硅单向导通

性的存在直接影响了其放电切割效果。4.3　硅片切割表面形貌用扫描电子显微镜(SEM)观察了硅片切割的表面微观形貌(图9)。发现其切割表面呈现硅材料放电切割所特有的贝壳状形貌。

5　结　论

通过测试试验及切割实验分析了太阳能发电用半导体P型单晶硅材料特有的电特性,发现增大进电材料与P型单晶硅的有效接触面积可以降低其极间电阻,提高正常放电的电流;P型单晶硅具有单向导通性,其工作方式应选择正极性加工;由于P型单晶硅电阻率分布不均匀,并且极间电阻会随着温度的升高而减小,导致其放电切割的电流波形较为特殊,呈“斜坡”式上升;P型单晶硅切割表面形貌呈硅材料切割时所特有“贝壳状”。这些切割特性的发现为半导体硅材料放电加工机理的研究奠定了基础。

参考文献

[1]魏奎先,戴永年,马文会,等.太阳能电池硅转换材料现状及发展趋势[J].轻金属,2006,(2):52256.[2]郭　浩,丁　丽,刘向阳.太阳能电池的研究现状及发展趋势[J].许昌学院学报,2006,25(2):38241.

(下转第1128页)

　1128专题论文硅酸盐通报　　　　　　第28卷

参考

[1]

289122959.

文献

ChenXB,MaoSS.Titaniumdioxidenanomaterials:synthesis,properties,modifications,andapplications[J].ChemicalReviews,2007,107(7):

[2]许凤秀,冯光建,刘素文,等.TiO2降解有机染料废水的研究进展[J].硅酸盐通报,2008,27(5):9912995.[3][4][5][6][7][8]

ZhangXW,LeiLC.EffectofpreparationmethodsonthestructureandcatalyticperformanceofTiO2/ACphotocatalysts[J].JournalofHazardous

Materials,2008,153(122):8272833.

WangYH,LiuXQ,MengGY.Preparationandpropertiesofsupported100%titaniaceramicmembranesMater[J].MaterialsResearchBulletin,2008,43(6):148021491.

JavierM,JoseA,WolfgangG,etal.Solarphotocatalyticdegradationofdichloroaceticacidwithsilicasupportedtitaniaatpilot2plantscale[J].

CatalysisToday,2007,129(122):59268.

DiegoIP,RodrigoB,ClaudioR,etal.PhotodegradationofmethylenebluebyinsitugeneratedtitaniasupportedonaNaAzeolite[J].Applied

CatalysisA:General,2009,357(2):1252134.

βzeolite2supportedTiO2MahalakshmiM,PriyaSV,ArabindooB,etal.PhotocatalyticdegradationofaqueouspropoxursolutionusingTiO2andH

[J].JournalofHazardousMaterials,2009,161(1):3362343.

TakeuchiM,DeguchiJ,HidakaM,etal.EnhancementofthephotocatalyticreactivityofTiO2nano2particlesbyasimplemechanicalblendingwithhydrophobicmordenite(MOR)zeolite[J].AppliedCatalysisB:Environmental,2009,89(122):4062410.

[9]刘　鑫,刘福田,张　宁,等.沸石负载纳米TiO2光催化剂水处理研究进展[J].硅酸盐通报,2006,25(6):1352139.[10]周天亮,宋绵新,敬晓峰,等.TiO2/沸石光催化性能的研究[J].太阳能学报,2006,27(12):127021275.

[11]王　侃,陈英旭,叶芬霞.SiO2负载的TiO2光催化剂可见光催化降解染料污染物[J].催化学报,2004,25(12):9312936.[12][13]

YahiroH,MiyamotoT,WatanabeN,etal.Photocatalyticpartialoxidationofα2methylstyreneoverTiO2supportedonzeolites[J].CatalysisToday,2007,120(2):1582162.

TingLQ,SunXJ,CaiWM,etal.ThepreparationandcharacterizationofnanoparticleTiO2/Tifilmsandtheirphotocatalyticactivity[J].Journal

ofPhysicsandChemistryofSolids,2003,64(2):6152623.

(上接第1122页)

[3]

HahnPO.The300mmsiliconwafer2acostandtechnologychallenge[J].MicroelectronicEngineering,2001,56(122):3213.[4]邱明波,黄因慧,刘志东,等.太阳能硅片制造方法研究现状[J].机械科学与技术,2008,27(8):101721020.[5]刘志东,汪　炜,田宗军,等.太阳能硅片电火花电解高效切割研究[J].中国机械工程,2008,19(14):167321677.[6]刘晋春,陆纪培.特种加工[M].北京:机械工业出版社,1987,8.[7][8][9][10]

SongX,ReynaertsD,MeeusenW,etal.Astudyontheeliminationofmicro2cracksinasparkedsiliconsurface[J].SensorsandActuatorsa2

Physical,2001,92(123):2862291.

TakinoH,IchinoheT,TanimotoK,etal.Contouringofpolishedsingle2crystalsiliconplatesbywireelectricaldischargemachining[J].Precision

Engineering2JournaloftheInternationalSocietiesforPrecisionEngineeringandNanotechnology,2007,31(4):3582363.

TakinoH,IchinoheT,TanimotoK,etal.Cuttingofpolishedsingle2crystalsiliconbywireelectricaldischargemachining[J].Precision

Engineering2JournaloftheInternationalSocietiesforPrecisionEngineeringandNanotechnology,2004,28(3):3142319.

PengWY,LiaoYS.StudyofelectricaldischargemachiningtechnologyforslicingsiliconIngots[J].JournalofMaterialsProcessingTechnology,2003,140:2742279.

[11]汪　炜,刘志东,田宗军,等.低电阻率单晶硅电火花/电解复合切割加工表面完整性研究[J].电加工与模具,2007,(6):629.[12]高长水,刘正埙.单晶硅材料电火花加工试验研究[J].电加工与模具,2003,(5):46248.

[13]邱明波,黄因慧,刘志东,等.进电方式对太阳能级硅体电阻影响的基础研究[J].电加工与模具,2008,4:24228.