以技術創新推動晶體硅太陽能電池智慧生產線建設

謝建國，趙加寶

(中國電子科技集團公司第四十八研究所，湖南長沙410111)

太陽能光伏具有無污染、存在普遍性以及永不枯竭等優點，是解決人類能源危機及環境問題的有效途徑，是最具前景的新能源技術之一。太陽能光伏的核心部件是太陽能電池。目前，80%的太陽電池是由晶體硅材料制備而成[1]，在今后較長一段時間內，晶硅電池憑借其在轉換效率、工藝成熟性及使用壽命等核心指標上的優勢仍將占據市場主流。目前，晶體硅太陽能電池發電的根本問題是相對于傳統的發電方式成本過高，其市場需求在很大程度上依賴于政府政策，特別是電價補貼政策，但是政府補貼一定會有數量和時間的限制，光伏產業長遠生存的關鍵是在有限的時間內降低成本，做到只靠市場需求，擺脫政府補貼，使光伏發電能夠與傳統火電平價競爭[2，3]。

晶體硅太陽能電池生產線的技術水平直接影響太陽能電池的轉換效率和生產成本，是太陽能光伏產業競爭力的集中體現。縱觀晶體硅電池近10年來的快速發展歷程，每一次單位千瓦發電成本的降低，關鍵均在于光伏電池制造環節的重大革新。國家《太陽能光伏產業“十二五”發展規劃》、《可再生資源中長期發展規劃》中也明確指出要扶持光伏專用設備的發展以及中試線的建設。

本文對晶體硅太陽能電池生產線的技術現狀進行綜述，并結合晶體硅電池技術的未來發展方向，分析了晶體硅太陽能電池生產線技術的發展趨勢，在此基礎上，提出了一種晶體硅太陽能電池智慧生產線，簡要介紹了其結構組成，特點及實現。

圖1 晶體硅太陽能電池生產線工藝流程

1 技術現狀分析

1.1 我國晶體硅太陽能生產線技術現狀

晶體硅太陽能電池產業鏈包括材料提純、電池制造、組件制造等環節，其中的電池制造又分為硅片切割、清洗制絨、擴散制結、刻蝕、減反射膜制備、表面電極印刷、高溫燒結、測試分選等多個工藝步驟（見圖1 所示），相應工藝步驟在生產線上分別由切片機、清洗機、擴散爐、PECVD、刻蝕機、絲網印刷機、測試分選機等多種設備完成，各專用設備與相應的自動連接系統構成了晶體硅電池生產線。

設備是生產線建設的基礎，占晶硅電池生產線建設總投資的近70%，隨著國家對新型可再生能源發展的重視，國產光伏裝備制造業隨著光伏產業的發展不斷壯大，在太陽能光伏領域所需設備的技術含量不如IC 產業的大前提下，高性價比成了國產光伏設備與國外產品競爭的核心優勢，國內知名光伏設備廠商中國電子科技集團公司第四十八研究所、北京七星華創等充分利用了這一優勢，經過數年發展，逐步打破了進口光伏設備的壟斷。目前，國產光伏裝備中的擴散爐、管式PECVD、清洗/ 制絨機等達到或接近了國際先進水平，占據了國內大部分市場，自動分選設備、快速燒結爐與國際先進水平有差距，但正在縮小，已開始在大生產線使用，且市場份額正逐步擴大，只有全自動絲網印刷設備和平板式PECVD 尚未取得實質性突破，整體技術水平和國外差距較大。目前，國內主流建線方案采用國產設備與進口設備混搭的方式，國產設備在數量上已占多數。根據中國電子專用設備工業協會統計的數據，隨著國產設備的質量和性價比不斷提高，光伏企業對國產設備的認知度越來越高。國產設備的大量使用使得企業投資成本大大降低，成為中國太陽能光伏產業在短短的數年間獲得飛速發展，具備國際競爭能力的利器。

目前，我國光伏設備企業已基本具備太陽能電池制造整線裝備能力，中國電子科技集團公司第四十八研究所等國內實力廠商還可提供一整套完善的晶硅太陽能電池生產線“交鑰匙”系統方案，這不僅意味著國內光伏企業在設備更替和工藝改進上可以從此不再受制于國外，還能夠極大地縮短投產時間，避免走彎路，從而大大節約生產線建設的總體投資成本、運行成本和產能擴張成本，具有極強的本土適應性[4-6]。

1.2 亟待解決的主要問題

然而我們也應該看到，我國光伏裝備及生產線建設的成功主要是是通過低價策略（平均只有進口設備的1/3）取得的，與國外先進廠商相比，裝備及生產線技術水平有待進一步提升，主要體現在：

（1）核心裝備技術水平。目前，國產光伏裝備在整體技術水平特別是尖端技術水平、設備的穩定性和工藝能力等方面與國外先進廠商存在差距；

（2）自動化程度。雖然我國各大光伏領軍企業的光伏電池生產線已經部分采用自動插片機、取片、上料機構以及設備間的自動轉送裝置，但整體水平仍處于半自動化狀態，人工干預較多，碎片率高，片源污染嚴重，且產品一致性和質量穩定性差。反觀國外先進的生產線實現了全自動化，整線只需要7～8 人，具有很高的生產效率、產品質量和很強的競爭成本優勢；

（3）監控與決策。國內企業多采用粗放型生產、缺乏生產線的全局監控與信息的智能處理，管理與生產脫節，生產運營成本居高不下[9]。

2 技術發展趨勢

目前，晶硅電池技術正朝大面積、薄型化發展，電池片尺寸由目前主流的125 mm×125 mm和156 mm×156 mm 發展到210 mm×210 mm，硅片厚度也由目前主流的200 μm 和180 μm 發展到150 μm 及以下，以節省硅材料降低成本。此外，電池的光電轉換效率、成品率要求也越來越高，這對晶體硅電池生產線的技術水平提出了更高的要求，為了適應晶硅電池技術的發展，未來的晶體硅電池生產線將具有以下技術特征：

（1）創新工藝與裝備相融合。現代晶體硅電池生產線將采用新的生產工藝，并將先進的工藝物化于設備，實現先進工藝與設備的緊密融合，以提升生產線的技術水平。

如在鑄錠環節中，采用高效鑄錠技術，改進鑄錠爐熱場設計、優化晶體生長工藝以提升材料性能，使電池的轉換效率得到提高。在擴散制結環節中，采用減壓技術提高擴散方阻的均勻性，并降低擴散過程中化學品的用量。在表面電極金屬化環節，采用非接觸式的激光技術（激光刻槽埋柵、激光轉印技術等）、噴墨打印技術取代傳統的絲網印刷工藝，以減少正面柵線電極的遮光損失，提高電池效率，同時降低碎片率。

此外，隨著晶硅電池更進一步向高效發展，與傳統晶硅電池生產線有較好兼容性的PERC、N型、HIT 等高效電池將得到大批量產，并在今后較長一段時間內成為市場熱點，先進的鈍化、鍍膜技術及高技術水平的光伏設備（大面積平板式PECVD 等）將引入到晶硅太陽能電池大生產線[7，8]。

在未來核心光伏裝備的研制方面，隨著計算機建模仿真技術的不斷發展，集機械、電子、流體、溫場、磁場為一體的多學科復合建模仿真方法將逐步得到應用，為具有尖端技術水平的復雜光伏裝備研發提供有力的技術支持。

（2）高產能與高效自動化。現代的晶體硅電池生產線更注重高產能與高效自動化，一方面，生產線上單臺設備的裝片量和產能越來越高，以通過規模化效應最大限度地降低電池和組件每瓦的成本，如鑄錠爐的單錠質量由目前主流的800 kg 和1 000 kg 發展到1 200 kg 和1 500 kg 及以上，擴散爐單管的裝片量由目前主流的500 片發展到以后的800 片和1 000 片及以上，以提高生產效率，降低單位能耗，進而降低硅片生產成本。另一方面，生產過程大量采用高效自動化技術，生產線的自動化水平將由目前的單臺設備自動化升級為車間整體自動化。高效自動化技術的大規模應用將帶來以下效果：

①1 提高產能。自動化技術使太陽能電池的生產和工藝流程更加高效，設備利用率更高，硅片處理的速度更快（與手工傳遞相比，自動傳送可提高整線約25%的生產率），生產線效率和產能得到提高；

②2 降低損耗及成本。隨著硅片向大尺寸、超薄方向的發展，硅片在制造、傳送過程中采用人工處理極易碎裂，采用先進的自動化技術可防止人工失誤，降低碎片率并減少片源污染，適用于未來薄片化、大尺寸的硅片生產，同時，自動化技術的應用可以降低人工成本。

③3 可靠性，標準化與一致性。

自動化技術減少了人工干預，提高了生產線的可靠性、產品的一致性、質量穩定性，同時也盡可能地消除了人為誤操作帶來的設備故障。

（3）監控與決策智能化。未來的晶體硅太陽能電池生產線將通過計算機技術、總線控制通訊技術、智能數據分析處理技術實現監控與決策的智能化，主要體現在以下方面：

①1 總線式智能監控。采用現場總線技術，實現工廠現場級、控制級、管理級的數據互聯，促進現場信息、監控信息、管理信息和市場信息的融合、交流與互動，實現基礎自動化、管理自動化和決策自動化三者的無縫集成(Seamless Integration)。總線式智能監控系統很好地實現了生產線的優化運行和最佳調度，避免了生產與管理的脫節，并且在更大的范圍內支持企業的正確決策，給企業創造更多的經濟效益，使光伏生產線自動化進入一個嶄新的時代。

②2 先進傳感技術的應用、多源傳感器信息的融合。近年來，機器視覺技術已從軍事、醫療、航空航天等領域深入發展到光伏裝備的狀態檢測中，并且已成功應用于絲網印刷工作臺的精確定位等方面，隨著光伏生產線監控技術的發展，越來越多的先進傳感技術將會在光伏生產線上得到應用。

此外，多源傳感器信息的融合技術將成為未來光伏生產線狀態監測的發展熱點，多源信息融合技術通過多類傳感器（溫度、位置、流量等）對現場設備及生產線的多類信息進行監測，并通過計算機將多類信息加以智能集成，產生比單一信息源更準確、可靠的估計和判決，可有效提高診斷決策的魯棒性，具有更好的綜合檢測及決策效果。

③3 與現代智能決策方法的融合。現代智能方法包括人工智能、專家系統、神經網絡、灰色系統理論、支持向量基、進化計算等，隨著光伏生產線向智能化方向發展，通過現代智能方法實現智能監控和智能決策是光伏生產線的未來發展方向[9，10]。

3 智慧生產線的提出

根據現代晶體硅太陽能電池生產線的技術特征，提出一種實用化的晶體硅太陽能電池智慧生產線。

3.1 系統組成

晶體硅太陽能電池智慧生產線的系統框架如圖2 所示，整個系統由現場級、控制級和決策級三級組成，現場級由生產線各工藝環節的生產設備、物料自動輸送設備、相關的各類傳感器等組成，現場級的各類傳感器對生產設備和物料自動輸送設備的實時狀態進行數據采集，通過傳感器智能接口、工業現場總線，實時檢測信息輸送至控制級。控制級由各生產設備、物料自動輸送設備的分散控制系統及HMI 人機交互系統組成，分散控制系統接收現場級的狀態信息，并根據程序指令向現場級發出控制信號，實現生產設備和物料自動輸送設備的自動控制功能，HMI 人機交互系統與分散控制系統數據互聯，實現生產設備、物料自動輸送設備的實時狀態監測、工藝選擇、數據記錄、故障報警等功能。管理級計算機通過工業以太網與控制級相聯，可對實時查看整個晶體硅太陽能電池生產線各工藝環節生產設備、物料自動輸送設備運行情況信息，此外，管理級計算機還設有專家系統，通過對生產線實時狀態信號、物料信息、歷史數據信息、市場需求信息進行數據融合，實現生產線的維修維護決策、生產執行決策等功能。

3.2 特點及實現

晶體硅太陽能電池智慧生產線具有以下特征：

（1）先進工藝物化于設備。晶體硅太陽能電池智慧生產線在電池制造環節中采用高效多晶硅鑄錠技術、高方阻減壓擴散技術、二次印刷技術、疊層減反射膜技術、背面鈍化技術等先進的工藝技術，并將先進的工藝進一步物化于設備，使電池轉換效率比常規晶硅電池大幅提高。

（2）過程高效自動化。晶體硅太陽能電池智慧生產線采用全自動上下料系統、全自動石英舟自動插片機、石墨舟自動插片機、全自動硅片/ 電池片自動分選設備，將整線設備進行自動化組合連接，使晶體硅太陽能電池生產線由傳統的單臺設備自動化升級為車間整體自動化，最終實現了整線設備及其連接系統的綜合自動化。

（3）智能化管理。晶體硅太陽能電池智慧生產線通過工業現場總線、工業以太網將生產線的現場級、控制級和管理級進行無縫鏈接，實現生產信息，物料信息，管理信息和市場信息的融合、交流與互動。并設有專家系統，可實現生產線的狀態實時監測、維修維護決策、生產管理決策等功能。

圖2 智慧生產線總體框架

4 結 論

晶體硅電池生產線是晶體硅太陽能電池生產的基礎和支撐，其技術水平直接影響太陽能電池的轉換效率和生產成本。隨著我國光伏產業的發展，國產光伏設備及生產線建設發展不斷前行，我國光伏設備企業已基本具備太陽能電池制造整線裝備能力，其高性價比成為了中國太陽能光伏產業在短短的數年間獲得飛速發展，具備國際競爭能力的利器。然而，我國光伏設備及生產線建設的成功是在太陽能光伏領域所需要設備的技術含量不如IC 產業的大前提下主要依靠低價策略取得的，由于我國光伏領域起步較晚，目前我國晶硅電池生產線建設也存在核心設備和工藝技術水平落后、自動化程度低、粗放型生產，管理與生產脫節等問題。目前，晶體硅電池生產線技術正朝著創新工藝及設備相結合、過程高效自動化、監控與決策智能化方向發展，當務之急是通過技術創新提高生產線的技術水平，以提升效率、降低成本。

智慧生產線將先進工藝物化于設備，使電池轉換效率比常規晶硅電池大幅提高。通過先進的自動化技術將單臺設備自動化升級為車間整體自動化，最終實現了整線的綜合自動化。采用工業現場總線技術將生產線的現場級、控制級和管理級進行無縫鏈接，實現生產信息，物料信息，管理信息和市場信息的融合、交流與互動。此外，智慧生產線還可通過專家系統，實現生產線的狀態實時監測、維修維護決策、生產管理決策等功能，符合未來晶硅電池生產線技術的發展趨勢。實現智慧生產線的國產化，可大幅度地提升晶硅電池生產線的技術水平，提高電池的轉換效率、降低生產成本，使光伏發電能夠與傳統火電平價競爭，實現平價上網，從根本上解決光伏產業發展的瓶頸具有重要意義。

[1] 王信茂. 從無錫尚德的破產思考我國光伏產業的持續健康發展[J]. 中國能源.2013，6(35)：12-15.

[2] 張寧. 中國光伏產業與發展戰略研究：[碩士學位論文].北京：中國政法大學，2010，3.

[3] Global Market Outlook for PV until 2013，in edited by EPIA(European PV Industry Association)[Z].

[4] 李永生. 國產設備：機遇與挑戰并存[J].中國能源.2010(5)34-36.

[5] 魏政，于冰清. 我國光伏產業發展現狀與對策探討[J].中外能源，2013(6)：15-18.

[6] 付靜. 我國光伏產業國際競爭力現狀及提升路徑[J].河北大學學報（哲學社會科學版）.2013，2(38)：53-55.

[7] 朱薇樺. 晶體硅太陽電池電極研究：[碩士學位論文].廣州：中山大學，2010，5.

[8] 趙汝強，梁宗存. 晶體硅太陽電池工藝技術新進展[J].材料導報2009（23）.

[9] 曹騫，趙加寶，禹慶榮. 基于CAN 總線的光伏設備智能監控系統的研究與設計[J]. 計算機與現代化. 2013(3)：148-151.

[10] 劉仁杰，周大良. 適應光伏電池生產的數字化車間智能制造系統[J].電子工業專用設備，2013（3）：1-4.

[11] 劉曉蘭.多傳感器信息融合技術的現狀與展望[J].機電一體化，2010(9)：17-20.