光伏電池生產(chǎn)線自動(dòng)化設(shè)備的應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)

谷聰超 張黎靜 康永川

[摘 ? ?要 ]近幾年，我國(guó)光伏行業(yè)、光伏技術(shù)快速發(fā)展，“十四五”規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)建議，將大力發(fā)展光伏新能源，發(fā)展綠色低碳循環(huán)經(jīng)濟(jì)體系。文章以光伏電池生產(chǎn)線自動(dòng)化設(shè)備的應(yīng)用為立足點(diǎn)，探討其未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

[關(guān)鍵詞]光伏;電池生產(chǎn)線;自動(dòng)化;發(fā)展趨勢(shì)

[中圖分類號(hào)]TM914.4 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2021）06–0–02

[Abstract]In recent years， China's photovoltaic industry and photovoltaic technology have developed rapidly. With the "fourteenth five year plan" and the long-term goal of 2035， we will vigorously develop photovoltaic new energy and develop green low-carbon circular economy system. Based on the application of photovoltaic cell production line automation equipment， this paper discusses its future development trend.

[Keywords]photovoltaic; Battery production line; Automation; Development trend

近年來(lái)，國(guó)家出臺(tái)了一系列政策扶持光伏組件自動(dòng)化裝備行業(yè)，經(jīng)過(guò)發(fā)展和積累，已經(jīng)具備一定技術(shù)水平和生產(chǎn)規(guī)模，整體光伏組件自動(dòng)化裝備水平、生產(chǎn)效率已經(jīng)超越國(guó)外同行業(yè)公司。其中，光伏電池生產(chǎn)設(shè)備需要經(jīng)過(guò)擴(kuò)散、蝕刻、測(cè)試等工藝過(guò)程，其水平高低直接決定該環(huán)節(jié)工藝技術(shù)水平的高低，是光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要支撐。

1 當(dāng)前光伏電池生產(chǎn)線自動(dòng)化設(shè)備現(xiàn)狀

光伏電池片可分為晶硅電池和薄膜電池，晶硅電池?fù)碛休^高轉(zhuǎn)換效率，目前已經(jīng)成為市場(chǎng)主流。我國(guó)光伏電池生產(chǎn)線起步較晚，最近幾年受主流工藝改良影響，原本的光伏電池生產(chǎn)線使用設(shè)備已經(jīng)縮減到6種，工藝步驟也減縮到6步，相關(guān)核心技術(shù)也取得突破性發(fā)展與應(yīng)用，自動(dòng)化水平不斷提升，不僅有離線模式，也有與主機(jī)工藝設(shè)備相連接的光伏電力生產(chǎn)線，性價(jià)比遠(yuǎn)超國(guó)外進(jìn)口設(shè)備，工作效率也大大提升[1]。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，2020上半年我國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)中，多晶硅產(chǎn)量達(dá)到20.5萬(wàn)t，同比增長(zhǎng)了32.2%;硅片產(chǎn)量達(dá)到75.0 GW，同比增長(zhǎng)了19.0%，電池片產(chǎn)量為59GW，同比增長(zhǎng)15.7%。

中國(guó)光伏行業(yè)協(xié)會(huì)副理事長(zhǎng)兼秘書長(zhǎng)王勃華曾經(jīng)做出預(yù)測(cè)，“十四五”期間，我國(guó)年均光伏新增裝機(jī)規(guī)模將達(dá)70～90 GW，未來(lái)5年，光伏新增總裝機(jī)量將達(dá)350～450 GW。面對(duì)即將到來(lái)的巨大增量，光伏行業(yè)需要加大先進(jìn)電池生產(chǎn)線設(shè)備的應(yīng)用推廣，最大限度地提升生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量，為未來(lái)光伏發(fā)電市場(chǎng)化奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

2 光伏電池生產(chǎn)線各工藝階段自動(dòng)化設(shè)備特點(diǎn)

晶硅電池可細(xì)分為多晶電池和單晶電池，其中單晶電池包括P型電池（硼擴(kuò)散）和N型電池（磷擴(kuò)散）兩大類，目前市場(chǎng)占比較高的是P型電池具備發(fā)射極鈍化和背面接觸電池的特性，也就是利用特殊材料在電池背面形成鈍化層作為背反射器，增加長(zhǎng)波光的吸收，銅焊絲增大P-N極間的電勢(shì)差，降低電子符合，提高效率。以其生產(chǎn)過(guò)程為例，P型電池的生產(chǎn)步驟共分為6步，具備包括制絨、擴(kuò)散、濕法背面刻蝕、雙面鈍化薄膜、背面介質(zhì)薄膜開孔、金屬化[2]。目前，隨著電池片尺寸增大、工藝復(fù)雜度增加和插片密度增加，上下料臺(tái)、插片機(jī)、AGV小車等自動(dòng)化、智能化設(shè)備已經(jīng)成為光伏電池片生產(chǎn)的必要設(shè)備。

2.1 制絨工藝段

制絨工藝段是指利用堿將硅片表面的各種損傷去除，并在清潔表面油污及其他金屬雜質(zhì)后將其制成受光反射率較低的絨面，提高電池光電轉(zhuǎn)換率，工業(yè)生產(chǎn)中一般采用成本較低的氫氧化鈉或氫氧化鉀稀溶液來(lái)制備絨面[3]。相關(guān)設(shè)備廠家包括施密德、RENA、晶洲裝備、捷佳偉創(chuàng)等，其中捷佳偉創(chuàng)是國(guó)內(nèi)代表設(shè)備企業(yè)，在產(chǎn)能、自動(dòng)配補(bǔ)液精度、控溫精度等方面性能已經(jīng)達(dá)到世界先進(jìn)水平。

通常情況下，該工藝階段是指借助碎片率低于千分之一的單臺(tái)上下料設(shè)備性能，將一堆疊片的硅片放進(jìn)上下料機(jī)中，完成自動(dòng)上下任務(wù)。目前主要使用設(shè)備為德國(guó)的RENA和SCHMID，工位數(shù)既有5位也有8位，促使當(dāng)前5位工位數(shù)工藝實(shí)現(xiàn)有效改進(jìn)，提高產(chǎn)能。上料機(jī)是指將硅片放置在專用料盒中，并通過(guò)吸片將硅片放在傳送帶再送至制絨設(shè)備中，因此需要在與制絨設(shè)備相接皮帶上增加自動(dòng)速度匹配裝置，以保證上料皮料與主工藝設(shè)備速度一致。

2.2 擴(kuò)散工藝段

擴(kuò)散工藝段是指將硅片的單面或者雙面液態(tài)源磷進(jìn)行擴(kuò)散，制作N型發(fā)射極區(qū)，形成P-N結(jié)的過(guò)程，擴(kuò)散工藝的好壞直接影響電池片效率的多少，核心技術(shù)指標(biāo)是擴(kuò)散方阻均勻性、控溫精度和穩(wěn)定性、工藝時(shí)間等，主要使用設(shè)備為全自動(dòng)石英舟上下料機(jī)。具體工作特點(diǎn)是指在上料時(shí)將籃具中硅片自動(dòng)裝載至石英舟中，下料時(shí)將石英舟中的擴(kuò)散好的硅片自動(dòng)裝載至籃具中[4]。目前，石英舟上下料機(jī)大都使用了六軸機(jī)器人，穩(wěn)定性高、布局緊湊、占地面積更小，能夠充分發(fā)揮機(jī)器人柔性特點(diǎn)，也便于調(diào)節(jié)和維護(hù)。

擴(kuò)散工藝對(duì)潔凈度要求非常高，需要通過(guò)人工作業(yè)方式，使用專用鑷子夾取硅片，以實(shí)現(xiàn)上下料，工作強(qiáng)度大、效率低且容易出現(xiàn)碎片。石英舟是擴(kuò)散工序的專用載體，放置槽的間隙很小，而且必須確保齒槽中心線與垂直方向的傾角為3°，這就要求具備較高精度、材質(zhì)為非金屬的吸盤，一次至少吸50片硅片，經(jīng)大量研究實(shí)驗(yàn)后，最終選擇硬度合適、耐溫性高、平面度好的陶瓷材料制成吸盤。目前，相關(guān)設(shè)備主要提供廠家為捷佳偉創(chuàng)、Tempress、豐盛裝備等。

2.3 刻蝕工藝段

刻蝕工藝段是指將擴(kuò)散后硅片周圍形成的短路環(huán)去除。目前，主要使用的濕法背面刻蝕設(shè)備與制絨設(shè)備有著相似結(jié)構(gòu)，都是在上料機(jī)中將硅片裝至籃具中送到刻蝕設(shè)備，也同樣需要在傳送帶與工藝設(shè)備接合處設(shè)置速度匹配裝置，確保傳送速度，且能進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整變化。另外，可以在上料機(jī)增設(shè)緩存裝置，確保不會(huì)因更換籃具中斷硅片傳送速度，達(dá)到硅片間距一致的目標(biāo)，提供更加優(yōu)質(zhì)的客戶服務(wù)[5]。

2.4 鈍化工藝段

當(dāng)前時(shí)期，P型電池中鈍化工藝主要包括兩種方式，①使用PECVD（等離子體化學(xué)氣相沉積）設(shè)備一次性完成三氧化二鋁和氮化硅膜的層疊。②使用ALD（原子層沉積）設(shè)備完成三氧化二鋁鍍膜，PECVD完成氮化硅鍍膜。其中，第二種工藝中使用的ALD設(shè)備能夠提高膜層的均勻性、階梯覆蓋率，精確控制厚度，相較于傳統(tǒng)沉淀工藝，更能提升光電轉(zhuǎn)換率，優(yōu)勢(shì)較大。目前，ALD的主要設(shè)備廠商包括理想能源、Solaytec、江蘇微導(dǎo)等。

2.5 絲網(wǎng)印刷工藝段

絲網(wǎng)印刷工藝段是指在硅片表面印刷具有一定圖形鋁漿或者銀漿，經(jīng)過(guò)一定燒結(jié)后形成歐姆接觸，確保電流有效輸出，需要依次完成背場(chǎng)、背電極、正柵線電極等制作流程，目前主要設(shè)備供應(yīng)廠商有邁為股份、Baccini、科隆威等。相比上述幾種光伏電池生產(chǎn)線設(shè)備來(lái)說(shuō)，印刷工藝段上下料機(jī)設(shè)備較為簡(jiǎn)單，可以看做單道上下料機(jī)，同時(shí)采用雙工位切換結(jié)構(gòu)更換籃具，能夠有效降低生產(chǎn)成本。

2.6 激光開槽工藝段

激光開槽工藝段是指利用一定脈沖寬度的激光，去除部分覆蓋在電池背面的鈍化層和SiNx覆蓋層，使得絲網(wǎng)印刷的鋁漿或銀漿能夠與電池背面的硅片形成有效接觸，使得光生電流可以通過(guò)AL層到處。

當(dāng)前時(shí)期，隨著光伏生產(chǎn)線自動(dòng)化、智能化技術(shù)的不斷提升，有效降低了光伏電池片生產(chǎn)成本，提高了光伏電池片車間的效率，也幫助光伏電池行業(yè)相關(guān)企業(yè)實(shí)現(xiàn)了達(dá)成能、低損耗的經(jīng)營(yíng)目標(biāo)，進(jìn)一步擴(kuò)大市場(chǎng)規(guī)模。

3 光伏電池生產(chǎn)線自動(dòng)化設(shè)備發(fā)展趨勢(shì)

目前，國(guó)家能源局正在積極謀劃“十四五”期間新能源發(fā)展布局，考慮推動(dòng)各地建設(shè)一批百萬(wàn)千瓦級(jí)的光伏發(fā)電平價(jià)基地，還要推動(dòng)屋頂和地面分布式光伏發(fā)電的建設(shè)，以期達(dá)到分布式光伏發(fā)電的規(guī)?？缭绞桨l(fā)展，最終實(shí)現(xiàn)新一代可再生能源發(fā)展電力系統(tǒng)。要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，就要加強(qiáng)光伏電池生產(chǎn)線自動(dòng)化設(shè)備科學(xué)研究，加大投資力度和政策支持，鼓勵(lì)更多企業(yè)參與到相關(guān)設(shè)備和產(chǎn)品研究生產(chǎn)中，積極推動(dòng)行業(yè)技術(shù)快速成熟，提高市場(chǎng)滲透率，以快速降低生產(chǎn)成本、提高光電轉(zhuǎn)換效率，實(shí)現(xiàn)行業(yè)整體工藝進(jìn)步。未來(lái)我國(guó)光伏電池生產(chǎn)線自動(dòng)化可能有以下發(fā)展趨勢(shì)。

3.1 硅片薄片化、大片化

降低光伏電池硅片厚度（即薄片化）、增大硅片尺寸（即大片化）將是光伏行業(yè)發(fā)展的重要發(fā)展趨勢(shì)。但是，薄片化會(huì)引致碎片率升高風(fēng)險(xiǎn)、大片化將超出當(dāng)前設(shè)備的可加工規(guī)格，因此，為適應(yīng)該技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，光伏電池生產(chǎn)工藝各階段和設(shè)備都要隨之變更。例如，多主柵技術(shù)將會(huì)增加電池片上主柵數(shù)量，降低了銀漿使用量，也使得電池片上電阻、電流分布更加均勻，有效提升發(fā)電效率，需要進(jìn)一步升級(jí)串焊機(jī)設(shè)備，提高串焊機(jī)焊接能力、穩(wěn)定度和精度，多主柵電池將代替5主柵電池成為市場(chǎng)占比最大的光伏電池種類。

3.2 全線自動(dòng)化、智能化

目前我國(guó)部分企業(yè)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)光伏電池生產(chǎn)線自動(dòng)化、智能化，但是相關(guān)技術(shù)還未完全成熟，市場(chǎng)普及率低。2017年，世界首條全智能光伏電池生產(chǎn)線在成都投產(chǎn)，該生產(chǎn)線采用智能在線式自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備，整個(gè)過(guò)程無(wú)人化、全封閉，生產(chǎn)全部工藝段由高度智能化、自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備完成，與傳統(tǒng)光伏電池生產(chǎn)線相比，單位時(shí)間內(nèi)處理硅片制絨、擴(kuò)散、濕法背面刻蝕、鈍化等時(shí)間縮短，電池片轉(zhuǎn)換效率有效提升，而且能夠?qū)φ麄€(gè)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤，并利用在線檢測(cè)設(shè)備及時(shí)糾偏，生產(chǎn)出的電池片質(zhì)量和數(shù)量遠(yuǎn)高于行業(yè)平均水平。隨著相關(guān)技術(shù)設(shè)備的成熟，光伏電池生產(chǎn)線全線自動(dòng)化時(shí)代必將到來(lái)。

3.3 N型電池市場(chǎng)占比將進(jìn)一步增加

考慮到成本優(yōu)勢(shì)，P型電池在我國(guó)率先推出，但是N型電池的平均轉(zhuǎn)化率高于P型電池，且目前N型電池中的異質(zhì)結(jié)（HJT，即具有本征非晶體的異質(zhì)結(jié)，在電池片內(nèi)同時(shí)存在晶體和非晶體級(jí)別的硅，非晶硅的出現(xiàn)能夠更好實(shí)現(xiàn)鈍化效果）電池已經(jīng)進(jìn)入量產(chǎn)，全面推廣后市場(chǎng)份額將持續(xù)增高，將會(huì)是未來(lái)主要發(fā)展方向之一。但是，N型電池對(duì)設(shè)備性能要求更高，需要獲得高度一致性的絨面結(jié)構(gòu)和高度潔凈的晶硅表面，這就要求相關(guān)企業(yè)不斷試驗(yàn)，在制絨清洗設(shè)備中槽體結(jié)構(gòu)和設(shè)備選材上全面升級(jí)、革新，提升設(shè)備自動(dòng)化性能，以便達(dá)到各項(xiàng)指標(biāo)，降低生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)成本，加快N型電池產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。

4 結(jié)束語(yǔ)

太陽(yáng)能將是未來(lái)主流清潔、綠色能源，光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)擁有無(wú)限潛力?！吨袊?guó)2050年光伏發(fā)展展望》曾經(jīng)預(yù)測(cè)，“2020—2025年，中國(guó)光伏將啟動(dòng)加速部署;2025—2035年，中國(guó)光伏將進(jìn)入規(guī)?；铀俨渴饡r(shí)期;到2050年，光伏將成為中國(guó)第一大電源，約占當(dāng)年全國(guó)用電量的40%?！苯刂菇袢?，我國(guó)光伏電池生產(chǎn)線自動(dòng)化中，還有部分工藝段和設(shè)備需要人工作業(yè)，但隨著光伏產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，光伏電池生產(chǎn)線設(shè)備自動(dòng)化、智能化、信息化將在不久實(shí)現(xiàn)，為光伏發(fā)電市場(chǎng)化提供強(qiáng)有力支撐。

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