目前,太阳能光伏发电因其无枯竭风险、可靠性高、运行成本低、无污染等优势,得到了快速发展。太阳能电池是光伏系统的光电转换设备,其主要半导体原料是硅。其中,单晶硅因其材料制备成熟、光电转换效率高等优势,在全球光伏产业中占据了主导地位。切片是从硅锭到制备光伏电池基片的第一道机械加工工序。锯切质量对硅片的破碎率和后续的纹理效果起着重要作用,直接决定了整个硅基太阳能电池的生产成本以及电池质量。近年来,固结磨料金刚石线锯逐渐取代了游离磨料线锯,且由于其切割效率高、锯口损失小、切片形状精度高、环境友好等优点,成为单晶硅切片的主流技术。本文利用分子动力学模拟方法对单晶硅材料的金刚石线切割的机理从原子尺度进行了计算模拟。探究了单晶硅在纳米尺度下金刚石线切割过程中的变形机制。从硅材料在金刚石线切割加工下的去除机理、硅晶体所受应力及其相变机制、金刚石晶粒所受切削力和加工温度分布以及加工表面质量等几个方面进行深入研究。主要内容如下:⑴采用分子动力学方法建立纳米级单晶硅金刚石线切割的仿真模型,使用晶体结构分析方法以及材料微观结构变化的可视化分析手段,深入研究了单晶硅金刚石线切割加工机理。分析了晶粒底部和侧面对于单晶硅材料的去除模式,发现晶粒侧面加工表面的材料去除模式主要为划擦和犁耕。同时对于切割过程中单晶硅工件中产生应力的分布以及单晶硅结构相变进行研究,提出了在应力作用下晶体结构相变发生的临界标准,即当静水应力大于约5.6GPa且von Mises应力大于约10GPa时,金刚石结构的单晶硅晶体将发生相变。同时还对加工表面质量进行分析,发现了表面碎裂凹坑和微裂纹由工件原子所受应力在晶体内部因各向异性分布不均而引起。最后对于加工过程中的切削力和温度产生与分布进行了说明和探讨。⑵对金刚石晶粒半径、走线速度和进给速率等三个主要加工参数的改变对锯切机理和质量的影响进行了模拟计算和分析。首先,当只改变金刚石晶粒半径时,发现金刚石晶粒底面加工表面质量随晶粒半径增大则逐渐下降,而侧面加工表面损伤层厚度则先减小,但当晶粒半径增大超过一定限度,损伤层厚度逐渐变大。其次,只改变金刚石线走线速度时,所有的切割现象变化可以说明,金刚石线切割走线速度越快,得到的切割表面质量越好,但是超过一定速度,切割深度极低,反而无法达到材料去除的目的,并且损伤变大。最后,改变金刚石线的进给速率时,发现进给速率越低,材料去除模式主要为延性模式,得到的切割表面质量越好,但同时切割效率降低,单位时间材料去除量降低。小于一定速率,切割深度极低,同样无法达到材料去除的目的,并且损伤变大。通过对上述参数变化对加工质量影响的研究,发现可以通过调整各种参数达到优化金刚石线切割工艺的加工质量的目的。在本研究中,发现当RTScenter保持在1-1.5之间时得到的加工表面质量最优并保证更好的效率。⑶对单晶硅材料中空位缺陷对材料屈服强度的影响及各向异性的进行了模拟计算。结果表明,在三个主要晶向上,单晶硅的屈服强度均随着空位缺陷尺寸的增大呈指数关系降低。但比较单晶硅三个主要晶向之间的屈服强度,则[1 00]晶向具有最低的屈服强度,而[1 1 1]晶向具有最高的屈服强度和对单个空位缺陷衰减的最大抗性。同时,单晶硅中含有空位缺陷的数量对金刚石线切割的影响也被建立模型以模拟分析。结果发现随着空位缺陷数量的增大,单晶硅的结构强度减低,材料去除模式更加倾向于延性模式。同时工件被金刚石晶粒加工后的表面非晶硅损伤层厚度增加,表面质量下降。本文通过分子动力学仿真对单晶硅的金刚石线切割过程及机制进行了模拟并深入分析,从纳米级尺度解释对单晶硅工件线切割的微观加工机理进行解释,为优化单晶硅金刚石线切割的加工工艺、提高加工精度并获得高质量元器件加工表面提供了重要的理论指导。