值此2011年中國光學學會學術年會與第十三屆中國國際光電博覽會（CIOE2011）暨中國國際光電高峰論壇（CIOEC）之際，作為超硬材料行業的科研及教育工作者，能夠應深圳市常興金剛石磨具有限公司的邀請，參加如此盛會十分榮幸，本人將就超硬材料對光電行業的影響談一下自己的一點拙見，與與會各位探討在光電能源建設中超硬材料的作用問題。

能源危機、日漸惡化的生態環境使許多國家將開發和利用可再生新能源作為國家發展戰略的重要內容。新能源是指傳統能源之外的各種能源形式。如太陽能、地熱能、風能、海洋能、生物質能和核能等。1.前言1.前言1.前言1.前言1.前言

地熱能也是重要的自然能源，在我國有為數眾多的地熱被直接利用，但是地熱發電則相對較少，這也是因為由地熱轉化電能的方法還存在很多問題，并且受到地域環境的限制；1.前言

風能發電已逐漸興起，在我國許多地方都可以看到利用風能發電的場景。風能是很好的能源，其發展前景可比肩于太陽能；1.前言1.前言

海洋能方面，最為熟悉的是潮汐發電，確實是好的能源，在很多海洋資源豐富的發達國家已經得到一定的應用，我國也有相當規模的裝機，但供電線路過長、設備維護復雜及水下部分要求高等問題也是制約這一能源開發利用的問題；1.前言

對于生物質能的利用，是我國傳統的能源方式，如燒柴做飯、農村大量的沼氣池，玉米乙醇、取暖鍋爐燃燒壓縮塊體有機材料等等。用于發電方面，量大的集中應用還存在一定的成本問題；1.前言

相比之下，太陽能是受到普遍認同的新能源-安全、綠色、環保、方便，目前技術成熟。有專家預計到2l世紀末，可再生能源在能源結構中將占到80％以上，太陽能發電將占到60％以上。從中可以看出太陽能產業的發展前景及其在能源領域中的重要戰略地位。

太陽能作為能源被人們利用有多種形式，包括直接利用太陽能的熱能，如普遍應用的太陽能熱水器、空調、灶及路燈等。將太陽能轉化為電能并且并網使用則使能源的利用更為方便快捷。太陽能電池就是最為重要的核心。1.前言1.前言利用太陽能的核心：太陽能電池！

太陽能電池可以分為五大類：硅太陽能電池、多元化合物薄膜太陽能電池、聚合物多層修飾電極型太陽能電池、納米晶太陽能電池和有機太陽能電池。2.太陽能電池分類2.太陽能電池分類

多元化合物薄膜太陽能電池材料為無機鹽，其主要包括砷化鎵III-V族化合物、硫化鎘、碲化鎘及銅銦硒薄膜電池等。由于構成薄膜的材料價格高、有毒及稀有等問題，使應用前景受到限制；2.1.多元化合物薄膜太陽能電池

聚合物多層修飾電極型太陽能電池，以有機聚合物代替無機材料，是剛剛開始的一個太陽能電池制造的研究方向。由于有機材料柔性好，制作容易，材料來源廣泛，成本低等優勢，從而對大規模利用太陽能，提供廉價電能具有重要意義。但以有機材料制備太陽能電池的研究僅僅剛開始，不論是使用壽命，還是電池效率都不能和無機材料特別是硅電池相比。能否發展成為具有實用意義的產品，還有待于進一步研究探索。2.2.聚合物多層修飾電極型太陽能電池2.太陽能電池分類2.太陽能電池分類

納米晶太陽能電池主要是TiO2納米晶太陽能電池，它的優點在于它廉價的成本和簡單的工藝及穩定的性能。其光電效率穩定在10％以上，制作成本僅為硅太陽電池的1/5～1/10．壽命能達到20年以上。但由于此類電池的研究和開發剛剛起步，還有很多科學問題沒有解決，但在將來會逐步走上市場。2.3.納米晶太陽能電池2.太陽能電池分類

有機太陽能電池以具有光敏性質的有機物作為半導體材料，以光伏效應而產生電壓形成電流。主要的光敏性質的有機材料均具有共軛結構并且有導電性，如酞菁化合物、卟啉、菁（cyanine）等。染料敏化太陽能電池（DSSC）主要是指以染料敏化的多空納米結構TiO2

薄膜為光陽極的一類太陽能電池。它是仿生植物葉綠素光合作用原理的太陽能電池。而NPC太陽能電池可選用適當的氧化還原電解質從而使光電效率提高，一般可穩定于10%，并且納米晶TiO2

制備簡便，成本低廉，壽命可觀，具有不錯的市場前景。2.4.有機太陽能電池2.太陽能電池分類

硅太陽能電池是目前應用最為廣泛的太陽能電池，分為單晶硅太陽能電池、多晶硅薄膜太陽能電池和非晶硅薄膜太陽能電池三種。2.5.硅太陽能電池2.太陽能電池分類⑴．單晶硅太陽能電池轉換效率最高，技術也最為成熟。在實驗室里最高的轉換效率為24.7%，規模生產時的效率為15%。在大規模應用和工業生產中仍占據主導地位，但由于單晶硅成本價格高，大幅度降低其成本很困難，為了節省硅材料，發展了多晶硅薄膜和非晶硅薄膜做為單晶硅太陽能電池的替代產品。2.5.硅太陽能電池2.5.硅太陽能電池2.太陽能電池分類⑵．多晶硅薄膜太陽能電池與單晶硅比較,成本低廉，而效率高于非晶硅薄膜電池，其實驗室最高轉換效率為18%,工業規模生產的轉換效率為10%。因此，多晶硅薄膜電池不久將會在太陽能電地市場上占據主導地位。2.5.硅太陽能電池2.太陽能電池分類⑶．非晶硅薄膜太陽能電池成本低重量輕，轉換效率較高，便于大規模生產，有極大的潛力。但受制于其材料引發的光電效率衰退效應，穩定性不高，直接影響了它的實際應用。如果能進一步解決穩定性問題及提高轉換率問題，那么，非晶硅大陽能電池無疑是太陽能電池的主要發展產品之一。3．單晶硅與多晶硅太陽能電池的制造過程非晶硅電池硅礦玻璃鍍膜硅烷氣體單晶硅電池多晶硅電池硅礦石冶金級礦單晶硅片多晶硅片多晶硅錠單晶硅棒鑄造法直拉法區域熔化提純法多晶硅西門子法流化床法冶金法其它方法3.1.多晶硅與單晶硅太陽能電池制造⑴．多晶硅的制造過程3．單晶硅與多晶硅太陽能電池的制造過程3.1.多晶硅與單晶硅太陽能電池制造⑵．單晶硅的制造過程非晶硅電池硅礦玻璃鍍膜硅烷氣體單晶硅電池多晶硅電池硅礦石冶金級礦單晶硅片多晶硅片多晶硅錠單晶硅棒鑄造法直拉法區域熔化提純法多晶硅西門子法流化床法冶金法其它方法3.1.多晶硅與單晶硅太陽能電池制造3．單晶硅與多晶硅太陽能電池的制造過程⑶．硅棒與硅錠的加工3.1.多晶硅與單晶硅太陽能電池制造3．單晶硅與多晶硅太陽能電池的制造過程⑶．硅棒與硅錠的加工3.2.硅片加工過程中主要消耗的工具3．單晶硅與多晶硅太陽能電池的制造過程⑴．截斷硅棒生產好之后，要沿垂直于晶體生長的方向切去晶體硅棒頭和尾，頭部的籽晶和放肩部分以及尾部的收尾部分是不能用的，一般要用金剛石外圓鋸片進行切斷，也可用金剛石帶鋸條進行截斷。截斷后形成的是圓柱體的硅棒，其截面是圓形的。3.2.硅片加工過程中主要消耗的工具3．單晶硅與多晶硅太陽能電池的制造過程⑵．滾圓

由于硅晶體生長時熱振動、熱沖擊，硅棒表面都不是非常平滑的，這時要用金剛石砂輪磨削硅棒表面，使整根硅棒的直徑統一，而達到所需的直徑。

方形的硅片具有更好的空間使用率，多數廠家會進行硅棒切方，切方使用金剛石外圓鋸片和線鋸。3.2.硅片加工過程中主要消耗的工具3．單晶硅與多晶硅太陽能電池的制造過程⑶．

開方

單晶硅切方后或多晶硅切塊后其表面較為粗糙，需要用金屬結合劑和樹脂結合劑金剛石砂輪來研磨硅棒表面，使其達到平整光潔。加工硅片切片后邊緣會出現的崩邊，棱角，裂縫，可用金剛石砂輪來倒角。3.2.硅片加工過程中主要消耗的工具3．單晶硅與多晶硅太陽能電池的制造過程⑷．研磨與倒角3.2.硅片加工過程中主要消耗的工具3．單晶硅與多晶硅太陽能電池的制造過程⑸．切片

硅片的厚度很薄，在150~300

m之間，最新的進展已經達到120m，這樣有效的利用了硅材料，成本大大降低。馬達驅動導線輪使整個切割線網以每秒5到25米的速度移動。較為先進的切片工具通常采用金剛石內圓鋸片和線鋸。金剛石內圓鋸厚度較厚，有250~300m，對硅料的損耗較大。3.2.硅片加工過程中主要消耗的工具3．單晶硅與多晶硅太陽能電池的制造過程⑹．硅材料的鉆孔與取芯

由于硅材料的應用領域非常廣泛，硅有時需要進行鉆孔或取芯，各種規格的金剛石鉆頭就有了用武之地。快捷高效，精度高的金剛石鉆頭被普遍用在硅材料的鉆孔、擴孔、套料、取芯等工序。用來生產多晶硅的紫晶棒也是用金剛石鉆頭來加工的。3.2.硅片加工過程中主要消耗的工具3．單晶硅與多晶硅太陽能電池的制造過程⑺．多晶硅錠的打磨

多晶硅錠澆鑄出來后其表面和底部，有很厚的雜質層，這些雜質層可用金剛石磨片來打磨。3.2.硅片加工過程中主要消耗的工具3．單晶硅與多晶硅太陽能電池的制造過程⑻．硅片的精磨與拋光

切割成為一定形狀和尺寸的硅片，由于切割過程中的鋸痕和應力層的存在，會影響硅片的使用，必須進行精磨以去除鋸痕和應力層，并且必須進行表面拋光。精磨和拋光一般多用金剛石精磨片和拋光膏（劑）。從以上光伏發電的核心-硅片的加工過程及所用工具來看，超硬材料-金剛石對光電行業的影響是十分巨大的。下圖是太陽能單晶硅電池片制造過程中的相關產業，在多個環節都涉及到超硬材料，如石墨坩堝、石墨電極、石英坩堝及切割打磨等。上述相關制造環節現在大多數采用金剛石工具，金剛石及金剛石工具的生產被稱為綠色產業。4.1.多環節應用超硬材料工具

4.超硬材料對光電行業的影響

從最近收集到的信息可知，采用世界最先進的金剛石線鋸切割技術試切割生產太陽能單晶硅片取得成功。試驗結論指出，采用金剛石線鋸切割技術切割單晶硅片比傳統的砂漿切割技術整整快了3倍，而其消耗的水電則比傳統的砂漿切割技術減少了三分之二，并且切割后產生的硅粉可以全部回收使用，可謂既節能又環保，對于提升國內同行業水平意義深遠。4.2.超硬材料使太陽能硅電池生產成本更低4.超硬材料對光電行業的影響4.2.超硬材料使太陽能硅電池生產成本更低4.超硬材料對光電行業的影響

證券時報稱，某超硬材料上市公司進軍光伏加工領域，因為硅片切割是太陽能光伏電池制造工藝中的關鍵部分。金剛石切割線以其高效率、壽命長的優勢，能夠幫助下游企業有效降低成本。

很多太陽能電池生產企業及相關研究機構也充分認識到以超硬材料代替普通磨料（SiC）的環保性、經濟性。介于此，深圳市常興金剛石磨具有限公司就開展“太陽能硅晶體材料精密加工工具、加工技術、加工裝備的研究”作為戰略發展目標，作為公司新的利潤增長點，為我國太陽能事業做出應有的貢獻！4.2.超硬材料使太陽能硅電池生產成本更低4.超硬材料對光電行業的影響4.3.超硬材料使太陽能硅電池生產更環保4.超硬材料對光電行業的影響采用金剛石線鋸切割技術比傳統的砂漿切割技術整整快了3倍消耗的水電則比傳統的砂漿切割技術減少了三分之二切割產生的硅粉可以全部回收使用更少的能耗和污染！

根據有關資料披露，在太陽能硅片切割方面，每生產1MW的太陽能晶硅光伏組件，平均產生約40噸左右的廢砂漿，如果按目前太陽能硅片的產能，每年產生的廢砂漿約80萬噸，其中刃料（主要為SiC）約為36萬噸，其余為切割液。如果沒有處理就排放掉，將對環境造成巨大不利影響，反之，如果全部處理回收利用，將為硅片切割行業節約超過40億元的成本。而36萬噸SiC的生產所耗電能及產生的污染又是一個驚人的數字。4.3.超硬材料使太陽能硅電池生產更環保4.超硬材料對光電行業的影響另外，這種加砂的絲鋸帶來的一個重要問題，有兩方面：一是碳化硅顆粒的滾動擠壓式切磨，會造成切割表面深度裂紋及應力層，需要在隨后的精磨過程中去除更多的硅片厚度；二是滾動擠壓式切磨在切割硅片的同時也在不斷損傷線鋸鋼絲，使其壽命縮短；4.3.超硬材料使太陽能硅電池生產更環保4.超硬材料對光電行業的影響5.結束語從以上分析和實例可見，超硬材料在硅電池制造過程中幾乎無處不在，用于硅電池加工的金剛石工具技術的發展在一定程度上對光伏發電的發展有十分重要的影響。

預計光伏制造業將在中國進一步聚集，由目前占全球產能的1/2向更高比例邁進。5.結束語

中國光伏產業2010年的產能為8000兆瓦，占全球光伏產業產能的一半以上。目前，中國已形成了完整的太陽能光伏產業鏈，并涌現出了無錫尚德、江西賽維、天威英利等一批在海外上市的知名企業。2010年，中國太陽能光伏產品90%都是出口，只有10%是國內市場需求。5.結束語