El silicio (Si) es un sólido con un punto de fusión alto, duro y quebradizo, y un brillo metálico de color blanco plateado. Es el segundo elemento más abundante en la Tierra, y el silicio representa el 26,4% de la masa total de la corteza terrestre. El silicio se encuentra en el grupo principal IV de la tabla periódica, con un número atómico de 14, una masa molecular relativa de 28,09, una densidad de 2,33 g/cm3, un punto de fusión de 1420 grados y un punto de ebullición de 2355 grados.
El silicio existe principalmente en forma de dióxido de silicio y silicatos en la naturaleza. Requiere un proceso de fundición relativamente complejo y una tecnología de procesamiento de purificación ultraalta para cumplir con los requisitos de producción y fabricación de la industria de semiconductores. El requisito de pureza del silicio monocristalino utilizado para semiconductores es del 99,9999 %, o incluso más del 99,9999999 %. El método de crecimiento de silicio monocristalino se puede dividir en el método Czochralski, el método de fusión por zonas y el método epitaxial según los diferentes métodos de crecimiento del cristal. Entre ellos, el método Czochralski que se presenta a continuación es el método de crecimiento de silicio monocristalino más común. El silicio monocristalino se obtiene mediante corte, redondeo, molienda y otros procesos para obtener obleas de silicio.
A continuación se muestra una descripción detallada del proceso:
(1) Fusión. Coloque el bloque de silicio policristalino que cumpla con los requisitos de alta pureza en el crisol del horno monocristalino, agregue una cantidad específica de metal u otras impurezas según las características eléctricas del producto y caliéntelo a una temperatura de fusión superior a 1420 grados para fundir el silicio policristalino.
(2) Crecimiento de cristales. Cuando la temperatura de la suspensión de silicio se estabilice, baje lentamente el cristal semilla en la masa fundida de silicio (el cristal semilla también se fundirá en la masa fundida de silicio) y luego levante el cristal semilla con una cierta velocidad de rotación hacia arriba a una cierta velocidad, y finalmente produzca una columna de cristal de silicio calificada.
La clave de la calidad de las columnas de cristales de silicio reside en la pureza y el monocristal de silicio. Cuanto mayor sea el diámetro de la columna de cristales de silicio, más difícil será controlar el monocristal de silicio y más difícil será garantizar la calidad. Por lo tanto, cuanto mayor sea el diámetro de la columna de cristales de silicio, mayor será el umbral técnico del proceso. El proceso de fabricación de columnas de cristales de silicio en crecimiento incluye principalmente flujos de procesos complejos como humectación de cristales, estrechamiento, escalonado, crecimiento de diámetros iguales y acabado.
(3) Rebanado. Una vez que se completa la columna de cristal de silicio, es necesario cortarla y probarla. Se cortan muestras de las columnas de cristal de silicio para probar sus parámetros técnicos, como la resistividad, el contenido de oxígeno/carbono y los defectos del cristal. Las rebanadas se procesan primero utilizando un molde de diamante de grado industrial para moler la columna de cristal en un cilindro liso, y la cabeza y la cola del lingote de cristal cónico se cortan para formar un cilindro estándar, que luego se corta utilizando una hoja de sierra de diámetro interior. El grosor, la curvatura y la deflexión de las obleas de silicio cortadas son la clave para el control de calidad del proceso de rebanado.
(4) Bordes redondeados. Los bordes de las obleas de silicio recién cortadas son todos ángulos rectos agudos. Debido a sus propiedades materiales duras y quebradizas, los ángulos rectos son fáciles de romper y otros defectos de calidad como estrés térmico, agrietamiento y colapso de los bordes son fáciles de ocurrir en procesos posteriores. Además de afectar la resistencia de la oblea de silicio, también se convertirá en una fuente de partículas contaminantes en todo el proceso. Redondear los bordes es el proceso de biselar los bordes de las obleas de silicio, también conocido como biselado. Las obleas de silicio redondeadas tienen bordes lisos y menor estrés central, lo que puede mejorar y realzar de manera efectiva la resistencia mecánica general y la procesabilidad de las obleas de silicio.
(5) Rectificado, grabado, eliminación de defectos y pulido. El rectificado consiste en eliminar las marcas de sierra, los residuos adheridos y las manchas causadas por el corte y el rectificado con muela, de modo que la superficie de la oblea de silicio pueda alcanzar una planitud que pueda pulirse aún más. Después del procesamiento mencionado anteriormente, se forma una capa dañada (capa dañada) en la superficie de la oblea de silicio debido al procesamiento. Antes de pulir, se graba con una solución química para eliminarla y luego se enjuaga y se seca con agua pura. Los defectos en la oblea de silicio se procesan y perfeccionan mediante chorro de arena y otros procesos, para producir un material de oblea completo y libre de defectos.
El corte de obleas de silicio es un eslabón muy importante en la cadena de la industria fotovoltaica. La calidad del corte de obleas de silicio afecta directamente a la producción de baterías en el futuro, y el nivel de tecnología de corte determina el costo de producción de la empresa. Las máquinas cortadoras que se utilizan actualmente en China son principalmente HCT en Suiza, MB en Alemania y Toko en Japón. A continuación, se presenta el proceso de las máquinas cortadoras MB en Alemania.
1. Configurar las varillas de cristal
Configure las varillas de cristal requeridas de acuerdo con la "Tabla de registro de recepción de varillas de cristal" proporcionada por el proceso de corte. Cuando sea necesario unir un grupo de varillas largas con varios segmentos pequeños de varillas de cristal, la diferencia de longitud entre las varillas de cristal correspondientes a la misma posición en cada grupo no debe superar los 10 mm. No debe haber más de 4 segmentos de varillas de cristal en cada posición. La longitud total de cada grupo de varillas de cristal no debe ser inferior a 450 mm ni superior a 515 mm. Después de la configuración, complete el número, la longitud y la ubicación de la varilla de cristal en la "Hoja de registro de pegado de varillas de cristal".
2. Recibe la varilla de cristal.
De acuerdo con el número de varilla de cristal configurado en la "Hoja de registro de pegado de varilla de cristal", reciba la varilla de cristal en el proceso de corte cuadrado y firme en la "Hoja de registro de pegado de varilla de cristal". Las varillas de cristal recibidas se colocan en el banco de trabajo de pegado de varillas de cristal de acuerdo con la posición marcada en la "Hoja de registro de pegado de varilla de cristal" y se mantienen limpias. Al recibir la varilla de cristal, si hay aceite, polvo de silicona, manchas de agua y otra suciedad en la varilla de cristal, esta varilla de cristal no se debe utilizar. Informe al supervisor y espere hasta que la varilla de cristal se limpie en el proceso de corte cuadrado antes de recibirla.
3. Unión de la varilla de cristal
Coloque la almohadilla de metal sobre el limitador de pegado de la varilla de cristal, con un lado cerca del tornillo de posicionamiento. Limpie las superficies de la almohadilla de metal y la almohadilla de vidrio con alcohol anhidro, mezcle 15 gramos de pegamento y 15 gramos de agente de curado, revuelva uniformemente y aplíquelos uniformemente sobre la almohadilla de metal, luego coloque la almohadilla de vidrio sobre ella, apriete y mueva la almohadilla de vidrio con fuerza para expulsar todo el aire entre la almohadilla de vidrio y la almohadilla de metal y hacer un contacto completo. Luego presione el peso y espere 20 minutos. Retire el peso y limpie la almohadilla de vidrio y la superficie de la varilla de cristal con alcohol anhidro. Ajuste 20-25 gramos de pegamento y 20-25 gramos de agente de curado de acuerdo con la longitud de la varilla de cristal, revuelva uniformemente y aplíquelos uniformemente sobre la almohadilla de vidrio, coloque la varilla de cristal sobre ella, apriete y mueva la varilla de cristal con fuerza para agotar todo el aire en ella y haga contacto completo, luego presione el peso, espere 20 minutos y déle la vuelta, coloque el riel de sujeción en la almohadilla de metal, apriete 5 pernos recubiertos con mantequilla con 40 Newtons y déjelo durante 6 horas para cortar.
Las obleas de silicio son la parte más cara de la tecnología de células fotovoltaicas de silicio cristalino, por lo que reducir el coste de producción de esta parte es crucial para mejorar la competitividad de la energía solar frente a la energía tradicional. En este artículo se ofrece una descripción general del proceso de corte de obleas de silicio, los desafíos de la industria manufacturera y cómo la nueva generación de tecnología de corte con sierra de hilo puede reducir los costes de corte.