超硬材料对光电行业的影响

亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室燕山大学 河北 秦皇岛 066004

教授

博士生导师王明智

值此 2011 年中国光学学会学术年会与第十三届中国国际光电博览会（ CIOE2011 ）暨中国国际光电高峰论坛（ CIOEC ）之际，作为超硬材料行业的科研及教育工作者，能够应深圳市常兴金刚石磨具有限公司的邀请，参加如此盛会十分荣幸，本人将就超硬材料对光电行业的影响谈一下自己的一点拙见，与与会各位探讨在光电能源建设中超硬材料的作用问题。

能源危机、日渐恶化的生态环境使许多国家将开发和利用可再生新能源作为国家发展战略的重要内容。新能源是指传统能源之外的各种能源形式。如太阳能、地热能、风能、海洋能、生物质能和核能等。

1. 前言

1. 前言

1. 前言

1. 前言

1. 前言

地热能也是重要的自然能源，在我国有为数众多的地热被直接利用，但是地热发电则相对较少，这也是因为由地热转化电能的方法还存在很多问题，并且受到地域环境的限制；

1. 前言

风能发电已逐渐兴起，在我国许多地方都可以看到利用风能发电的场景。风能是很好的能源，其发展前景可比肩于太阳能；

1. 前言

1. 前言 海洋能方面，最为熟悉的是潮汐发电，确实是好的能源，在很多海洋资源丰富的发达国家已经得到一定的应用，我国也有相当规模的装机，但供电线路过长、设备维护复杂及水下部分要求高等问题也是制约这一能源开发利用的问题；

1. 前言

对于生物质能的利用，是我国传统的能源方式，如烧柴做饭、农村大量的沼气池，玉米乙醇、取暖锅炉燃烧压缩块体有机材料等等。用于发电方面，量大的集中应用还存在一定的成本问题；

1. 前言

相比之下，太阳能是受到普遍认同的新能源 -安全、绿色、环保、方便，目前技术成熟。有专家预计到 2l世纪末，可再生能源在能源结构中将占到 8

0％ 以上，太阳能发电将占到 60％ 以上。从中可以看出太阳能产业的发展前景及其在能源领域中的重要战略地位。

太阳能作为能源被人们利用有多种形式，包括

直接利用太阳能的热能，如普遍应用的太阳能热

水器、空调、灶及路灯等。将太阳能转化为电能

并且并网使用则使能源的利用更为方便快捷。太

阳能电池就是最为重要的核心。

1. 前言

1. 前言

利用太阳能的核心：

太阳能电池！

太阳能电池可以分为五大类：硅太阳能电池、多元化合物薄膜太阳能电池、聚合物多层修饰电极型太阳能电池、纳米晶太阳能电池和有机太阳能电池。

2. 太阳能电池分类

2. 太阳能电池分类

多元化合物薄膜太阳能电池材料为无机盐，其主要包括砷化镓 III-V族化合物、硫化镉、碲化镉及铜铟硒薄膜电池等。由于构成薄膜的材料价格高、有毒及稀有等问题，使应用前景受到限制；

2.1. 多元化合物薄膜太阳能电池

聚合物多层修饰电极型太阳能电池，以有机聚合物代替无机材料，是刚刚开始的一个太阳能电池制造的研究方向。由于有机材料柔性好，制作容易，材料来源广泛，成本低等优势，从而对大规模利用太阳能，提供廉价电能具有重要意义。但以有机材料制备太阳能电池的研究仅仅刚开始，不论是使用寿命，还是电池效率都不能和无机材料特别是硅电池相比。能否发展成为具有实用意义的产品，还有待于进一步研究探索。

2.2. 聚合物多层修饰电极型太阳能电池2. 太阳能电池分类

2. 太阳能电池分类

纳米晶太阳能电池主要是 TiO2纳米晶太阳能

电池，它的优点在于它廉价的成本和简单的工艺及稳定的性能。其光电效率稳定在 10％以上，制作成本仅为硅太阳电池的 1/5～ 1/10．寿命能达到 20

年以上。但由于此类电池的研究和开发刚刚起步，还有很多科学问题没有解决，但在将来会逐步走上市场。

2.3.纳米晶太阳能电池

2. 太阳能电池分类

有机太阳能电池以具有光敏性质的有机物作为半导体材料，以光伏效应而产生电压形成电流。主要的光敏性质的有机材料均具有共轭结构并且有导电性，如酞菁化合物、卟啉、菁（ cyanine ）等。染料敏化太阳能电池（ DSSC ）主要是指以染料敏化的多空纳米结构 TiO2 薄膜为光阳极的一类太阳能电池。它是仿生植物叶绿素光合作用原理的太阳能电池。而 NPC 太阳能电池可选用适当的氧化还原电解质从而使光电效率提高，一般可稳定于 10% ，并且纳米晶 TiO2 制备简便，成本低廉，寿命可观，具有不错的市场前景。

2.4. 有机太阳能电池

2. 太阳能电池分类

硅太阳能电池是目前应用最为广泛的太阳能

电池，分为单晶硅太阳能电池、多晶硅薄膜太阳

能电池和非晶硅薄膜太阳能电池三种。

2.5.硅太阳能电池

2. 太阳能电池分类

⑴．单晶硅太阳能电池 转换效率最高，技术也最为成熟。在实验室里最高的转换效率为 24.7% ，规模生产时的效率为 15

% 。在大规模应用和工业生产中仍占据主导地位，但由于单晶硅成本价格高，大幅度降低其成本很困难，为了节省硅材料，发展了多晶硅薄膜和非晶硅薄膜做为单晶硅太阳能电池的替代产品。

2.5.硅太阳能电池

2.5.硅太阳能电池2. 太阳能电池分类

⑵．多晶硅薄膜太阳能电池 与单晶硅比较 ,成本低廉，而效率高于非晶硅薄膜电池，其实验室最高转换效率为 18%, 工业规模生产的转换效率为 10% 。因此，多晶硅薄膜电池不久将会在太阳能电地市场上占据主导地位。

2.5.硅太阳能电池2. 太阳能电池分类

⑶．非晶硅薄膜太阳能电池成本低重量轻，转换效率较高，便于大规模生产，有极大的潜力。但受制于其材料引发的光电效率衰退效应，稳定性不高，直接影响了它的实际应用。如果能进一步解决稳定性问题及提高转换率问题，那么，非晶硅大阳能电池无疑是太阳能电池的主要发展产品之一。

3．单晶硅与多晶硅太阳能电池的制造过程

非晶硅电池 硅矿

玻璃镀膜

硅烷气体

单晶硅电池

多晶硅电池

硅矿石

冶金级矿

单晶硅片

多晶硅片 多晶硅锭

单晶硅棒

铸造法

直拉法区域熔化提纯法

多晶硅西门子法流化床法冶金法

其它方法

3.1. 多晶硅与单晶硅太阳能电池制造⑴．多晶硅的制造过程

3．单晶硅与多晶硅太阳能电池的制造过程

3.1. 多晶硅与单晶硅太阳能电池制造⑵．单晶硅的制造过程 非晶硅电池 硅矿

玻璃镀膜

硅烷气体

单晶硅电池

多晶硅电池

硅矿石

冶金级矿

单晶硅片

多晶硅片 多晶硅锭

单晶硅棒

铸造法

直拉法区域熔化提纯法

多晶硅西门子法流化床法冶金法

其它方法

3.1. 多晶硅与单晶硅太阳能电池制造

3．单晶硅与多晶硅太阳能电池的制造过程

⑶．硅棒与硅锭的加工

3.1. 多晶硅与单晶硅太阳能电池制造

3．单晶硅与多晶硅太阳能电池的制造过程

⑶．硅棒与硅锭的加工

3.2. 硅片加工过程中主要消耗的工具

3．单晶硅与多晶硅太阳能电池的制造过程

⑴．截断

硅棒生产好之后，要沿垂直于晶体生长的方向切去晶体硅棒头和尾，头部的籽晶和放肩部分以及尾部的收尾部分是不能用的，一般要用金刚石外圆锯片进行切断，也可用金刚石带锯条进行截断。截断后形成的是圆柱体的硅棒，其截面是圆形的。

3.2. 硅片加工过程中主要消耗的工具

3．单晶硅与多晶硅太阳能电池的制造过程

⑵．滚圆

由于硅晶体生长时热振动、热冲击，硅棒表面都

不是非常平滑的，这时要用金刚石砂轮磨削硅棒

表面，使整根硅棒的直径统一，而达到所需的直

径。

方形的硅片具有更好的空间使用率，多

数厂家会进行硅棒切方，切方使用金刚石外

圆锯片和线锯。

3.2. 硅片加工过程中主要消耗的工具

3．单晶硅与多晶硅太阳能电池的制造过程

⑶ ． 开方

单晶硅切方后或多晶硅切块后其表面较为粗

糙，需要用金属结合剂和树脂结合剂金刚石砂轮

来研磨硅棒表面，使其达到平整光洁。加工硅片

切片后边缘会出现的崩边，棱角，裂缝，可用金

刚石砂轮来倒角。

3.2. 硅片加工过程中主要消耗的工具

3．单晶硅与多晶硅太阳能电池的制造过程

⑷ ．研磨与倒角

3.2. 硅片加工过程中主要消耗的工具

3．单晶硅与多晶硅太阳能电池的制造过程

⑸ ．切片

硅片的厚度很薄，在 150~300m 之间，最新的进展已经达到 120m ，这样有效的利用了硅材料，成本大大降低。马达驱动导线轮使整个切割线网以每秒 5 到 25 米的速度移动。

较为先进的切片工具通常采用金刚石内圆锯片和线锯。金刚石内圆锯厚度较厚，有 250~300m ，对硅料的损耗较大。

3.2. 硅片加工过程中主要消耗的工具

3．单晶硅与多晶硅太阳能电池的制造过程

⑹．硅材料的钻孔与取芯

由于硅材料的应用领域非常广泛，硅有时需要进行钻孔或取芯，各种规格的金刚石钻头就有了用武之地。快捷高效，精度高的金刚石钻头被普遍用在硅材料的钻孔、扩孔、套料、取芯等工序。用来生产多晶硅的紫晶棒也是用金刚石钻头来加工的。

3.2. 硅片加工过程中主要消耗的工具

3．单晶硅与多晶硅太阳能电池的制造过程

⑺．多晶硅锭的打磨

多晶硅锭浇铸出来后其表面和底部，有很厚

的杂质层，这些杂质层可用金刚石磨片来打磨。

3.2. 硅片加工过程中主要消耗的工具

3．单晶硅与多晶硅太阳能电池的制造过程

⑻．硅片的精磨与抛光

切割成为一定形状和尺寸的硅片，由于切割过程

中的锯痕和应力层的存在，会影响硅片的使用，必

须进行精磨以去除锯痕和应力层，并且必须进行表

面抛光。精磨和抛光一般多用金刚石精磨片和抛光

膏（剂）。

从以上光伏发电的核心 -硅片的加工过程及所用工具来看，超硬材料 -金刚石对光电行业的影响是十分巨大的。下图是太阳能单晶硅电池片制造过程中的相关产业，在多个环节都涉及到超硬材料，如石墨坩埚、石墨电极、石英坩埚及切割打磨等。上述相关制造环节现在大多数采用金刚石工具，金刚石及金刚石工具的生产被称为绿色产业。

4.1. 多环节应用超硬材料工具 4. 超硬材料对光电行业的影响

从最近收集到的信息可知，采用世界最先进的金刚石线锯切割技术试切割生产太阳能单晶硅片取得成功。试验结论指出，采用金刚石线锯切割技术切割单晶硅片比传统的砂浆切割技术整整快了 3倍，而其消耗的水电则比传统的砂浆切割技术减少了三分之二，并且切割后产生的硅粉可以全部回收使用，可谓既节能又环保，对于提升国内同行业水平意义深远。

4.2. 超硬材料使太阳能硅电池生产成本更低

4. 超硬材料对光电行业的影响

4.2. 超硬材料使太阳能硅电池生产成本更低

4. 超硬材料对光电行业的影响

证券时报称，某超硬材料上市公司进军光伏加工领域，因为硅片切割是太阳能光伏电池制造工艺中的关键部分。金刚石切割线以其高效率、寿命长的优势，能够帮助下游企业有效降低成本。

很多太阳能电池生产企业及相关研究机构也充分认识到以超硬材料代替普通磨料（ SiC ）的环保性、经济性。介于此，深圳市常兴金刚石磨具有限公司就开展“太阳能硅晶体材料精密加工工具、加工技术、加工装备的研究”作为战略发展目标，作为公司新的利润增长点，为我国太阳能事业做出应有的贡献！

4.2. 超硬材料使太阳能硅电池生产成本更低

4. 超硬材料对光电行业的影响

4.3. 超硬材料使太阳能硅电池生产更环保

4. 超硬材料对光电行业的影响

采用金刚石线锯切割技术

比传统的砂浆切割技术整整快了 3倍

消耗的水电则比传统的砂浆切割技术减少了三分之二

切割产生的硅粉可以全部回收使用

更少的能耗和污染！

根据有关资料披露，在太阳能硅片切割方面，每生产1MW 的太阳能晶硅光伏组件，平均产生约 40吨左右的废砂浆，如果按目前太阳能硅片的产能，每年产生的废砂浆约 80万吨，其中刃料（主要为 SiC ）约为 36万吨，其余为切割液。如果没有处理就排放掉，将对环境造成巨大不利影响，反之，如果全部处理回收利用，将为硅片切割行业节约超过 40亿元的成本。而 36万吨 SiC 的生产所耗电能及产生的污染又是一个惊人的数字。

4.3. 超硬材料使太阳能硅电池生产更环保

4. 超硬材料对光电行业的影响

另外，这种加砂的丝锯带来的一个重要问题，有两方面：一是碳化硅颗粒的滚动挤压式切磨，会造成切割表面深度裂纹及应力层，需要在随后的精磨过程中去除更多的硅片厚度；二是滚动挤压式切磨在切割硅片的同时也在不断损伤线锯钢丝，使其寿命缩短；

4.3. 超硬材料使太阳能硅电池生产更环保

4. 超硬材料对光电行业的影响

5.结束语

从以上分析和实例可见，超硬材料在硅电池制造过程中几乎无处不在，用于硅电池加工的金刚石工具技术的发展在一定程度上对光伏发电的发展有十分重要的影响。

预计光伏制造业将在中国进一步聚集，由目前占全球产能的 1/2向更高比例迈进 。

5.结束语

中国光伏产业 2010 年的产能为 8000兆瓦，占全球光伏产业产能的一半以上。目前，中国已形成了完整的太阳能光伏产业链，并涌现出了无锡尚德、江西赛维、天威英利等一批在海外上市的知名企业。 201

0 年，中国太阳能光伏产品 90% 都是出口，只有 10

% 是国内市场需求。

5.结束语

据有关报道 :2014 年光伏发电价格将低于工商业用电电价。路线图假设至 2015 年行业平均光伏转化效率提升2% ，多晶硅能耗降低 50% ，则电池组件平均成本由目前的 1.5美元 /瓦降低到 1美元 /瓦，光伏发电电价可至0.8元 /度左右。目前家庭用电平均价格为 0.54元 /千瓦时，工商业用电平均价格为 0.81元 /千瓦时，若假设电价涨幅为每年 6% ，则 2014 年至少可实现工商业用电侧的平价上网。该预测大大快于之前对于光伏的平价上网预期。

作为结论：能源消费增长是一个长期趋势，能源清洁化和低碳化是一个发展方向；构建安全、稳定、经济和高效的能源体系需要大幅度提高能源效率，更需要人们约束自己的行为；大幅度增加绿色能源供应也是能源发展的根本方向。总之，提高能源效率和发展清洁能源是我国能源政策两个基石，也是全球应对气候变化两个重要手段。

5.结束语

超硬材料，作为先进的工具材料，以不可或缺的加工工具的地位，对光电行业的有着十分重要的影响，并且随着科技进步，这一影响将会越来越凸显。绿色，作为充满生机的代表色，为人们所向往，超硬材料及制品行业，被称为绿色行业，光电能源被称为绿色能源，让绿色的超硬材料与绿色的光电能源更紧密地结合起来，让世界充满绿色！套改常兴公司董事长的一句话：常兴磨具围着需要转！常兴新增的的发展目标一定会实现！

5.结束语

谢谢！常兴，长兴！