硅晶体是性能优良的半导体材料，硅基光伏发电在全球光伏发电市场的占有率超过90%，并保持了近30%的年增长率[1]。晶体硅太阳电池具有效率高、稳定性好、成本低等优点，在太阳电池产业中占据主导地位[2-3]，目前双面硅异质结（silicon heterojunction,SHJ）太阳电池的光电转换效率最高可达26.81%[4]。随着光伏产业向精细化发展，光伏单晶硅因其光电转换效率高，市场占比一路飙升。因硅片在光伏电池组件成本构成中超过30%[5]，为降低光伏电池成本，光伏硅晶体的切片加工呈现大尺寸、薄片化和细线化发展趋势。光伏硅片的主流尺寸规格为：G1 (158.75 mm×158.75 mm）、M4(161.00 mm×161.00 mm）、M6(166.00 mm×166.00 mm）、M10(182.00 mm×182.00 mm）、M12(210.00 mm×210.00 mm）和一部分半片规格（105.00 mm×210.00 mm）及230.00 mm×230.00 mm规格。据国际光伏技术路线图统计，2022年M6及以下光伏单晶硅片的主流切片厚度为160µm,M12光伏单晶硅片的主流切片厚度为165µm。预计到2027年，M6及以下光伏单晶硅切片厚度将降低到140µm,M12光伏单晶硅切片厚度将降低到150µm[5]。在国内企业的实际生产中，G12半片光伏单晶硅片的切片厚度已减薄至110µm。在降低成本、提高光电转换效率的目标驱动下，在大硅片和电池制造的技术革新背景下，光伏单晶硅切片加工技术和装备面临新的挑战。在光伏单晶硅切片加工过程中，大量的硅晶体因锯缝损耗而浪费[6]，但在未来5 a内，金刚石线锯切片加工的锯缝损耗将由目前的<60µm降低到<50µm[5]。为此，金刚石线锯的直径不断减小，目前芯线直径37µm的电镀金刚石线锯已在光伏硅切片加工中得到应用，芯线直径35µm的电镀金刚石线锯正逐渐投放市场。

基于电镀金刚石线锯的诸多优点和硅片表面制绒技术的发展，从2013年开始，在光伏硅晶体切片加工领域，电镀金刚石线锯逐渐取代了砂浆线锯。在电镀金刚石线锯多线切片加工中，减小硅晶体切片加工的切片厚度和锯缝损耗，即实现细线薄片的切片加工，并降低硅片破片率，是提高硅晶体的出片率、降低光伏电池硅片成本的主要途径。但是，减小切片厚度意味着线锯间的间距减小，表面张力作用使切削液在线锯间形成液桥，作用在线锯上的液桥力将导致切片加工时硅片的厚度不均匀，甚至出现线锯粘结在一起的结对现象，并引起断线[7]。减小锯缝损耗意味着线锯直径的减小，导致金刚石线锯的破断拉力减小，必须减小线锯的张紧力，张紧力和液桥力的复合作用改变了线锯对切割硅片表面的裂纹损伤机制。此外，随着线锯直径和切片厚度的减小，切割硅片的断裂强度呈现较大的离散性，破片率增大[8-9]。因此，对金刚石线锯表面磨粒分布的均匀性、磨粒凸露高度的一致性提出更高要求。总之，提高电镀金刚石线锯的质量，抑制切片加工的硅片表面线痕、厚度不均匀，降低硅片的破片率，对光伏单晶硅细线薄片的高出片率切片加工具有重要价值。

1、光伏单晶硅切片加工原理

目前，光伏单晶硅切片加工的主流技术是电镀金刚石线锯多线切片加工技术，其切片加工原理如图1所示。金刚石线锯由导轮将其布置成线锯网，在导轮驱动下进行前进式往复运动，并采用双反馈控制技术，由力矩电机、张力传感器和伺服电机对线锯实现恒张力精密控制。硅晶体装夹在切片机的夹具部件上，相对于金刚石线锯实现进给运动，可同时切割得到数千片硅片。由图1可知，金刚石线锯的直径，决定了切片加工锯缝宽度（锯缝损耗），而线锯间的间距决定了晶体的切片厚度，硅片尺寸决定了导轮轴距（线锯支承跨距）。

图1所示的光伏单晶硅多线切片加工原理表明，单片切割硅片的晶体材料消耗（硅耗）为硅片厚度和锯缝损耗之和。因此，硅片厚度减薄和金刚石线锯直径的减小，均能提高光伏单晶硅晶锭的晶片产出率，降低硅耗[5]。以2022年ITRPV数据为基准，即：锯缝宽度60µm，切割硅片的厚度165µm，每片硅片需225µm长度的硅锭。图2为锯缝宽度和晶片厚度与光伏单晶硅出片率的关系，若以锯缝宽度60µm、切割硅片厚度165µm，即每片硅片消耗晶锭长度为225µm为基准，当硅片厚度减薄至125µm，对应锯缝损耗60、50和40µm的出片率分别提高21.6%、28.6%和36.4%。可见，金刚石线锯的细线化和硅片的薄片化是光伏单晶硅切片加工技术进步的指向标。

图1 光伏硅晶体切片加工示意

图2 相对硅片厚度165µm和锯缝60µm的晶体出片率

如图1所示，固结在金刚石线锯表面上的金刚石磨粒对晶体材料刻划，利用二体磨粒磨损实现材料的去除加工。由于单晶硅是典型的各向异性脆性材料，当磨粒以不同深度刻划加工单晶硅材料时，材料的去除会呈现塑性域去除模式和脆性域去除模式[10-12]。在金刚石线锯表面的磨粒切削刃与单晶硅加载刻划接触时，当静水接触压力达到12 GPa，则Si-Ⅰ相会转变为有利于单晶硅的塑性流动和塑性域材料去除的Si-Ⅱ相（β-tin金属相）[13]。在低卸载速率下，Si-Ⅱ相转变为Si-Ⅲ相和Si-Ⅻ相；在高卸载速率下，Si-Ⅱ相转变为a-Si（非晶相）[14]。当磨粒与单晶硅法向接触载荷较小时，单晶硅在磨粒切削刃的接触高压作用下产生Si-Ⅱ相，实现磨粒对单晶硅刻划的塑性域材料去除，但随着法向接触载荷的增大，当接触区拉应力超过晶体材料的断裂强度时，单晶硅产生中位裂纹或侧向裂纹，表现为脆性域材料去除模式[15]，即磨粒机械刻划加工脆性的单晶硅时，存在材料去除模式的脆塑转变[16-18]。在脆性域材料去除模式下，磨粒刻划加工产生的微裂纹将有部分残留在切割硅片表面，形成切片加工的微裂纹损伤[12]。硅片表面的微裂纹损伤，降低了硅片的断裂强度，增大了硅片的破片概率。

除磨粒刻划深度外，磨粒切削刃形状、晶体的晶相结构和切削速度也是影响单晶硅材料脆塑去除模式转变的重要因素。金刚石线锯大多采用破碎金刚石微粉制备，近似三棱锥形的磨粒切削刃有利于提高刻划加工的材料去除[19]。但研究表明，尖锐的磨粒更易使单晶硅萌生裂纹，而球形磨粒或切削刃钝化的磨粒更易实现材料的塑性域去除[20-22]。

目前，光伏产业中金刚石线锯的走丝速度已达到40 m/s，磨粒切削刃高速刻划引起的高应变率会影响晶体材料的相变和去除模式。随着走丝速度的增大，作用在单颗磨粒切削刃上的法向力和切向力呈减小的趋势，较高的走丝速度有利于实现材料的塑性域去除[23]。单颗圆锥形尖端磨粒刻划单晶硅表面的材料相变实验研究表明，在较高的刻划速度下（25 m/s），划痕区除非晶硅a-Si相外，还存在产生于两孪晶间交叉的Si-Ⅳ相[24],a-Si与Si-Ⅳ的拉曼强度比随刻划速度的增大而增大。单颗磨粒高速刻划实验表明，在圆锥形磨粒的刻划速度为40 m/s、刻划深度24 nm时，刻划单晶硅的材料相变区将为完全a-Si相，即实现了单晶硅的完全非晶化材料去除[25]，不产生微裂纹等其他损伤。

目前，关于磨粒刻划单晶硅的研究仅局限在理想形状磨粒切削刃对单晶硅表面的刻划实验，而金刚石线锯表面的磨粒位置随机分布，磨粒切削刃形状及凸露高度不一致。当金刚石线锯的芯线直径很小时，由于张紧力的减小，一般采用错槽布线等措施抑制硅片厚度偏差，将导致金刚石线锯产生扭转运动，使磨粒刻划运动轨迹变化。因此，通过仿真、实验等手段，对金刚石线锯表面磨粒运动轨迹和磨粒沿不同晶向刻划单晶硅的材料去除和损伤机理开展深入研究，有助于充分认识单晶硅切片加工的硅片表面裂纹损伤和线痕等质量缺陷的形成机制。

2、切片加工表面裂纹损伤和硅片的断裂强度研究

单晶硅切片加工时，残留在硅片表面、亚表面的微裂纹损伤降低了硅片的断裂强度，在切片加工应力场的作用下，微裂纹进一步扩展，导致硅片破碎。随着硅片厚度的减薄，裂纹损伤层深度与硅片厚度的比值增大，硅片刚度减小，硅片表面任意微小裂纹都可能导致超薄硅片的破碎，使硅片的断裂强度呈现较大的离散性，破片率增加，从而制约了超薄切片技术的工程应用。

2.1切片加工的硅片表面裂纹损伤

金刚石磨粒切削刃在单晶硅表面刻划加工时，接触区附近产生较高的压应力，引起材料的相变和塑性变形，塑性变形区附近晶体受拉应力作用萌生裂纹并向晶体内部扩展，形成中位裂纹。刻划卸载过程由塑性变形区的应力场引起侧向裂纹的产生和扩展，侧向裂纹扩展至晶体自由表面形成材料的脆性域去除[26-27]。裂纹的成核位置和尺寸与载荷大小、晶体材料属性和磨粒切削刃形状等有关。

金刚石线锯切片加工裂纹损伤的形成原理如图3所示[28]，当金刚石线锯表面磨粒所在位置角θ(θ∈[0,π/2]）值较大时，由磨粒刻划引起的裂纹损伤位于晶体的待加工区，裂纹会在后续的切片加工中去除，不会残留在切片加工创成表面；而当磨粒位置θ值较小，该区域的磨粒脆性去除引起的横向裂纹和中位裂纹将扩展到创成表面内部，从而导致硅片表面的裂纹损伤。

图3 金刚石线锯切片加工裂纹损伤[28]

利用透射电子显微镜（transmission electron microscope,TEM）观察金刚石线锯切片加工创成的单晶硅片表层形貌，发现硅片的表面损伤形式从自由表面向材料内部依次为相变、位错和裂纹损伤[29]。硅片的表面裂纹损伤形式可分为侧向裂纹损伤和中位裂纹损伤，裂纹损伤的深度由裂纹的尺寸和偏角决定，裂纹尺寸近似服从韦布尔分布[30]。

目前对切片加工裂纹损伤的研究多基于压痕实验或准静态刻划实验，在金刚石线锯切片加工时，磨粒的高速刻划运动对裂纹损伤产生一定的影响。基于脆性材料刻划加工的裂纹损伤理论，建立金刚石线锯切片加工过程的分析模型，可得到硅片表面裂纹损伤分布和最大裂纹损伤深度。采用球形磨粒、增大走丝速度和降低进给速度，均能有效减小裂纹损伤深度值[31]。由于裂纹损伤对超薄硅片破碎的影响更加显著，因此，基于动态断裂力学理论和高速刻划实验，进一步研究切片加工裂纹的动态扩展机理和裂纹分布规律，提出降低裂纹损伤的切片加工工艺条件，是实现超薄硅片切片加工所必须面对的问题。

2.2切片加工应力场分析

磨粒切削刃刻划单晶硅去除材料的过程，伴随着磨粒切削刃与晶体接触应力场的变化。在压痕应力场研究的基础上，可获得磨粒刻划应力场的理论模型，将刻划的塑性变形区等效为嵌入自由表面的半球形膨胀腔，得到塑性变形区引起的Blister应力场，将该解与由法向力引起的Boussinesq应力场和切向力引起的Cerruti应力场叠加，即可得到刻划加工应力场的理论模型[32-33]。磨粒切削刃对单晶硅刻划过程的材料相变会影响应力场分布，因此，建立基于单晶硅相变的材料本构模型，可采用有限元仿真分析单颗磨粒刻划应力场[34]。如图4a所示，通过建立尺寸为20 mm×20 mm×40 mm的KDP晶体有限元分析模型，锯缝位置距离端面24.6 mm，锯缝宽度0.4 mm。考虑锯切加工中的热力耦合作用，用有限元法的单元生死法，可分析得到图4b所示的ABCD截面切片加工主应力场[35]。同时，在切片加工过程中，硅片的振动也会导致硅片的破碎[36]。因此，在金刚石线锯切片加工过程中，作用在硅片上的应力场是磨粒刻划加工的热、力作用并耦合硅片振动的动态耦合应力场，对于超薄硅片切片加工，动态耦合应力场导致的硅片破碎问题有待深入研究。

2.3硅片的断裂强度

硅片的断裂强度取决于硅片厚度和线痕、表面的损伤缺陷，特别是磨粒刻划形成的微裂纹和凹坑损伤。光伏产业中测量硅片断裂强度的常用方法为三点弯曲试验和四点弯曲试验，两种测量方法对光伏硅片断裂强度测量结果的影响较小[37]。切片加工获得的光伏硅片的断裂强度具有离散和随机分布特点，韦布尔强度是描述硅片断裂强度的常用方法。利用弯曲试验测量光伏硅片断裂强度时，根据硅片弯曲方向与划痕方向可分为两类：平行于线痕弯曲和垂直于线痕弯曲。

图4 金刚石线锯切片加工耦合应力场[35]

关于光伏硅片的断裂强度实验研究表明[9,38-39]:1）由于沿线痕方向存在的微裂纹和凹坑等加工损伤，导致锯切硅片垂直于线痕弯曲的断裂强度值明显高于平行于线痕弯曲的断裂强度值；2）磨粒切削刃钝化的磨损后电镀金刚石线锯（旧线）和磨粒切削刃锋利的新启用线锯（新线）相比，旧线切片得到的硅片断裂强度明显高于新线切片得到的硅片断裂强度；3）切片加工前，对晶体的块体表面精密抛光能有效降低边缘缺陷引起的硅片破碎，可提高硅片的断裂强度；4）使用直径较小的电镀金刚石线锯切片加工时，不仅使硅片的断裂强度降低，且使硅片断裂强度的离散性更大，在较薄硅片的切片加工时尤为明显；5）由于细线的破断拉力减小，锯切加工时的张紧力也减小，因此，细线切片加工过程中可能因线锯的扭转运动导致硅片表面刻划损伤。

虽然上述研究是针对电镀金刚石线锯的芯线直径较大或切片厚度较大开展的研究，但仍具有借鉴意义。一般认为金刚石磨粒具有尖锐切削刃，有利于材料去除，但不利于超薄硅片的断裂强度；随着电镀金刚石线锯直径的减小，线锯的张紧力减小，在液桥力复合作用下，切片加工过程中线锯的运动形式和磨粒的刻划运动轨迹将出现新的变化；线锯表面磨粒的粒度范围越大，对锯切硅片表面产生随机刻划损伤的可能性越大。

目前，关于硅片断裂强度方面的相关研究结论均是针对具体的工况条件、在实验研究中发现的现象，但要解释上述现象，还需要系统深入地基础研究，特别应系统开展细线锯切薄硅片的表面裂纹损伤形式和尺寸及对其硅片断裂强度影响的定量表征研究。

3、超薄硅片切片加工的液桥作用研究

3.1液桥及其对切片加工的影响

关于液桥形成及液桥力作用的研究，多以两球体或平行板为研究对象，对液桥力一般采用Young-Laplace方程进行定量描述，液桥力受液体表面张力、球体直径和间距等影响[40-41]。在两端固定并张紧的柔性平行线材之间，施加液体时也会产生液桥作用。如图5a所示的两端固定的平行线材，当间距逐渐减小并浇注液体时，在线材之间会形成液桥。液桥的液柱形态和液桥截面形态将随柔性线材间距不同表现为图5b和图5c的形式[42]。线材受液桥作用力和弹性力作用并处于受力平衡状态，当液桥作用力相对较弱时，会引起线材的偏移，随着液桥作用力的加强，线材偏移逐渐增大，最终会粘结在一起，形成线材结对。液桥的液柱形态和液桥力与线材的表面性质、液体表面张力、线材直径和力学性能等密切相关。

为提高光伏单晶硅切片加工的出片率，需要持续减小切片厚度和线锯直径，实现细线超薄硅片的切片加工。当切片厚度减小时，线锯间可能形成切削液液桥。在液桥力的作用下，使线锯产生偏移，导致切片加工的硅片厚度不均匀，产生图6a所示的“厚薄片”现象，甚至出现因液桥力导致的线锯结对，产生图6b所示的硅片被切除的现象[8]。另外，液桥力还将引起线锯与导轮线槽接触状态的变化。因切片加工必须施加切削液，切削液具有一定的表面张力，液桥力作用、“厚薄片”和线锯结对等是超薄切片加工面临的挑战。

图5 两端固定的柔性平行线材间液桥示意[42]

图6 超薄切片加工存在的问题[8]

关于金刚石线锯切片加工液桥作用的前期研究，仅限于解释特定工况下切片加工实验出现的现象，认为线锯结对是在切入晶体前，两线锯间形成切削液的液桥，当线锯间距小于某一临界值时，液桥力作用将强大到将两线锯粘结在一起[7]，形成线锯结对。相关的理论分析将电镀金刚石线锯简化为静态、理想光滑表面、两端固定、忽略张紧力的弹性固定弦，并局限于研究线锯切入晶体前形成结对的临界条件，既不能定量分析切片加工出现的“厚薄片”现象，也不能指导切片加工工艺的确定。

电镀金刚石线锯是表面随机分布磨粒的粗糙表面、柔性线材，在切片加工过程中，线锯处于恒力张紧状态，在锯切力作用下，线锯沿锯缝产生一定挠度的挠曲。研究表明，恒张力挠曲状态的线锯，在晶体各向异性产生的微弱力作用下，将会使线锯偏移并导致锯切晶片产生面形偏差[43]。粗糙的电镀金刚石线锯表面会引起切削液接触角的滞后性，并影响液桥的形成和液桥力大小[44]。切片加工过程中线锯必然存在振动现象[45]，线锯的振动会引起液桥形成条件和液柱形态的动态变化，此时需要考虑切削液的黏性以及接触角的滞后性对液桥的形貌和液桥力的影响[46]。液桥力作用是导致切片加工“厚薄片”和线锯结对现象的主要原因，开展与切片加工实际工况相符合的、可用于指导工程实际的、系统的基础研究，是细线超薄切片加工所必须面对的研究课题。

3.2电镀金刚石线锯间液桥作用研究

尽管在涉及大尺度物体间的流固耦合中通常不考虑液桥作用的影响，但在亚毫米尺度下液桥力将占主导地位，特别是当物体的刚度不足以抵消液桥作用时，其产生的变形和粘附将使系统结构发生变化[42,47-48]。在金刚石线锯网系统中，由于锯丝的长径比极高，在两端张紧力不足的情况下，其易受到外界扰动发生横向位移。且为降低锯缝损耗和切片厚度，金刚石线锯直径以及锯丝间距进一步降低，使得被切削液润湿的锯丝在液桥作用下会产生相互吸引甚至互相粘附，制约了低锯缝损耗下的超薄切片加工[7]。研究发现，液桥可在初始线网间隙较小的锯丝表面间自发形成，使得锯丝间距降低以至发生粘附。但是，当金刚石线锯的初始线网间隙超过一定的阈值后，线网不会自发粘附[49]。在锯切过程中，金刚石线锯的横向振动会在某些时刻瞬时降低其表面间隙[50]。在这种情况下，来自液桥的毛细力和振动过程中的锯丝张紧力之间的相互作用将改变锯丝的运动状态，在一定条件下提高了锯丝粘附的风险[51]，如图7所示。通过双锯丝系统动力学模型对存在液桥作用的线网系统进行分析，发现当锯丝初始表面间隙处于自发粘附临界间隙和最大粘附间隙之间时，在静态双锯丝系统中金刚石线锯不会自发相互粘附。支承激励会使锯丝产生横向振动位移，这会提高自发粘附临界间隙，使锯丝间更易发生粘附。自发粘附临界间隙随导轮制造误差，即线槽轴线跳动的增加和线槽直径的减小而增大。当导轮制造误差提高一倍，自发粘附临界间隙会增大到该误差增量的两倍以上。在使用芯线直径36µm的细径金刚石线锯锯切80µm超薄晶片时，导轮的制造误差范围需要控制在±15µm以内才能最大程度地避免锯切加工过程中锯丝间的粘附。适当增加线槽直径和锯丝张紧力以及降低锯丝跨距也可降低锯丝振动位移。这些改进除了可提高晶圆的切割质量外，还能增加锯丝间自发粘附临界间隙，限制液桥的形成和扩展，减少锯丝粘附的风险，有助于实现锯缝损耗和切片厚度的进一步降低。但是，当前的研究尚未明确线槽磨损与液桥相互作用的机制和切削液冲击对线网振动的影响，因此，对电镀金刚石线锯间液桥作用深入研究具有重要的工程意义。

图7 支承激励下金刚石线锯间液桥形成及作用示意[51]

3.3锯切硅片间液桥作用研究

在金刚石线锯切片加工过程中，锯缝宽度由锯丝直径决定。由于锯缝宽度>60µm，被切削液润湿的硅片间也会形成液桥。而且，硅片的厚度与其长、宽方向的尺寸相比小得多，这使得其沿在厚度方向上的弯曲刚度极小。因此，金刚石线锯锯切加工系统中，液桥作用除了会破坏线网结构外，也会使得被切割硅片发生弯曲变形并产生互相粘附[39]。在金刚石线锯切片厚度薄型化的趋势下，其断裂强度也大幅度下降[30,52]，同时晶片弯曲刚度和锯缝宽度减小使得粘附硅片数量增加[53]。在生产现场，利用34线切割厚度为150µm的G12光伏单晶硅片，单刀总切割硅片数4000片时，目测最多会有1/4的切割硅片相互粘附在一起，从而导致切割硅片的最大弯曲应力增大，在切片加工过程中更易产生硅片破碎。如图8所示，通过建立多硅片分级粘附模型，对金刚石线锯切片加工过程中硅片系统的状态分析[54]，发现硅片间的毛细粘附随锯切深度的增加而增大，即锯切210 mm×210 mm尺寸的硅片断裂风险较156 mm×156 mm更大。此外，毛细粘附对于细径金刚石线锯薄片锯切过程的制约更加显著。对于210 mm×210 mm尺寸的单晶硅片切片加工，当切片厚度小于100µm，硅片断裂概率开始显著增加。当切片厚度减小到50µm，其破片概率将提高到6%以上。切片加工实验表明，较细的金刚石线锯切割薄硅片的断裂强度分布更加离散[9]。在锯缝损耗和硅片厚度不断减小的趋势下，硅片的断裂强度将进一步降低。为抑制毛细粘附对切片加工硅片破片率的影响，可尝试改进切片加工的冷却润滑方法，以降低粘附片数，或降低锯切硅片表面的裂纹损伤以提高其断裂强度。另外，在光伏单晶硅切片加工系统中，单晶硅棒粘接在机床夹具上，切割后的硅片相互粘附、贴合，导致切片加工后的锯丝难以退刀，进一步增大了切割硅片的破片风险，此乃当前工业生产中亟需解决的技术难题。

图8 金刚石线锯锯切过程中硅片间毛细粘附示意[54]

4、电镀金刚石线锯表面磨粒分布状态机器视觉检测技术

在电镀金刚石线锯切片加工过程中，线锯表面的金刚石磨粒刻划单晶硅并实现材料去除，创成硅片的表面、亚表面，对于脆性的单晶硅材料，磨粒刻划加工使硅片表面、亚表面产生裂纹损伤。硅片的表面裂纹损伤层深度在很大程度上取决于电镀金刚石线锯表面的磨粒分布状态。因此，随着光伏单晶硅片厚度减薄和尺寸的增大，对电镀金刚石线锯的磨粒分布均匀性和凸露高度一致性有更高的要求，因此，必须对电镀金刚石线锯表面的磨粒分布状态进行检测，并建立电镀金刚石线锯表面磨粒分布状态与切片加工质量的量化关系。

机器视觉技术主要利用计算机来提取和理解图像中的目标信息，并将这些信息用于实际的检测、测量或控制。该技术首先应用于电镀金刚石线锯表面的金刚石磨粒分布状态的离线检测。得益于3D共焦显微镜采集的高质量电镀金刚石线锯图像，基于机器视觉的离线检测方法已经实现了对磨粒密度及磨粒出刃高度一致性等磨粒分布状态的检测与分析[55]。在电镀金刚石线锯制造过程中，为了实现对其表面磨粒分布状态的实时检测及控制，机器视觉技术被进一步应用到了磨粒分布状态的在线检测过程中。其中，利用图像拼接[56]获取电镀金刚石线锯的全圆柱表面图像[57]，在此基础上，基于连通域标记算法[58]对图像中的磨粒信息进行提取及分析，可有效提升磨粒密度的在线检测精度。以金刚石线锯全圆柱表面图像中的磨粒重心为种子点对图像进行维诺细分[59]，可实现磨粒分布均匀性的定量表征，150µm的电镀金刚石线锯表面磨粒分布均匀性定量表征结果如图9所示[60]。磨粒在线锯圆柱表面上的分布位置差异会导致磨粒在成像过程中发生不同程度的畸变，这是磨粒出刃高度在线检测领域面临的一大挑战。近期，一种考虑磨粒成像畸变校正的机器视觉在线检测方法，实现了电镀金刚石线锯表面磨粒出刃高度的高精度在线检测[61]。当前，基于机器视觉的在线检测技术基本实现了对电镀金刚石线锯表面磨粒分布状态的在线检测，但建立金刚石线锯表面磨粒分布状态与切片加工性能和切片加工质量之间的对应关系仍有待进一步研究。

图9 磨粒分布均匀性定量表征结果[60]

5、展望

光伏行业是中国为数不多的、可同步参与国际竞争并在产业化方面取得领先优势的产业，但降低光伏硅片成本，实现光伏单晶硅“细线”、“薄片”的高出片率切片加工，是中国光伏产业高质量发展并保持国际领先优势的重大需求。光伏单晶硅细线、薄片的切片加工面临许多技术挑战，主要包括：

1）金刚石线锯在锯切加工过程中通过张力控制系统张紧在导线轮上，为保证切片加工质量，需要足够的张紧力并严格限制金刚石线锯的最大挠度。母线为35µm的电镀金刚石线锯，其破断拉力要求≥5.3 N，已接近高碳钢线的强度极限。钨丝线力学性能明显优于高碳钢线，工程界已实现母线32µm的钨丝金刚石线锯的切片加工，但其成本较高，未来需要降低钨丝成本并进一步减小金刚石线锯直径。

2）光伏单晶硅切片加工的“细线化”和“薄片化”使金刚石线锯间、锯切硅片间的液桥作用愈加显著，工程实际中最多可出现500片以上的锯切硅片粘附在一起的现象。金刚石线锯间的液桥作用将导致线锯结对和锯切硅片厚度不均匀等现象，锯切硅片间的液桥作用将使锯切硅片粘附导致破片率升高、切片加工完成后退刀困难等问题。为抑制液桥作用，需要开发新型冷却润滑液、冷却润滑技术和切片加工工艺。

3）钙钛矿太阳能电池是新一代光伏技术，具有光电转换效率高、成本低等优点，钙钛矿晶硅叠层电池适用于主流光伏电站，而涂布式钙钛矿叠层电池对硅片机械强度要求低，但对表面质量要求高，可进一步减小锯切硅片厚度，乐山高测新能源科技有限公司已小批量试切60µm厚度的半片（105.0 mm×210.0 mm）单晶硅片。但为节省贵重材料，需要研发新型切片加工工艺及工具，进一步降低切片加工表面损伤层深度、表面粗糙度和线痕深度。

4）利用机器视觉检测技术对电镀金刚石线锯表面磨粒分布状态进行全面检测，建立电镀金刚石线锯表面磨粒分布状态与切片加工性能和切片加工质量之间的量化关系，为光伏单晶硅细线、薄片切片加工提供基础数据，对提高中国光伏行业技术水平和国际竞争力具有重要意义。

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基金资助:国家自然科学基金(52005301;52175418);山东省重点研发计划(2022CXGC010201);山东省高校青创团队计划(2022KJ208);

文章来源:葛梦然,赵桂丽,郑金涛,等.光伏单晶硅细线超薄切片加工研究进展[J].太阳能学报,2024,45(11):183-193.