太陽能電池生產(chǎn)項目節(jié)能研究

吳鑫亮WU Xin-liang；李鴻LI Hong

（南京工程咨詢中心有限公司，南京 210018）

0 引言

煤炭在我國傳統(tǒng)能源結(jié)構(gòu)中長期占主導地位，這導致能源消費中污染日趨加重。碳達峰、碳中和目標將逐步推動我國能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的進程和新能源發(fā)電改革，以風電和光伏發(fā)電為主要形式的二次能源將逐步占據(jù)中國能源體系的主導地位[1]。在多種新能源類型中，太陽能光伏發(fā)電的優(yōu)勢較突出，主要優(yōu)點包括資源分布廣泛且總量很大、清潔無污染且具有豐富的應用形式。太陽能光伏產(chǎn)業(yè)是新能源產(chǎn)業(yè)中發(fā)展最快的子行業(yè)之一，需求空間巨大，在倡導發(fā)展低碳經(jīng)濟的環(huán)境下，太陽能光伏產(chǎn)業(yè)在未來能源發(fā)展中占據(jù)重要戰(zhàn)略地位。我國廣袤的地域有著豐富的太陽能資源，太陽能資源的開發(fā)利用潛力巨大。當前，太陽能產(chǎn)業(yè)規(guī)模方面我國已位居世界首位，我國在太陽能光伏電池生產(chǎn)方面也具有重要地位。太陽能電池除了作為能源設(shè)備，還是一種新型屋面及墻面材料，具有節(jié)省建材和供電節(jié)能的雙重優(yōu)勢，經(jīng)濟及社會效益良好，發(fā)展前景廣闊。光伏電池片是生產(chǎn)太陽能電池組件的核心材料，光伏電池片生產(chǎn)是光伏產(chǎn)業(yè)鏈的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，光伏電池片產(chǎn)業(yè)的發(fā)展規(guī)模及水平?jīng)Q定著光伏能源行業(yè)的發(fā)展規(guī)模及水平。由于生產(chǎn)每兆瓦的太陽能電池組件都需要消耗大量的電池片，太陽能電池片市場需求將日趨加大。然而太陽能電池生產(chǎn)項目通常能耗較高，如何通過有效的技術(shù)措施及管理方法降低此類項目生產(chǎn)過程中的能源消耗正越來越引發(fā)太陽能電池生產(chǎn)企業(yè)的關(guān)注。

1 太陽能光伏行業(yè)概況

全球范圍看，在當今的新能源產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域中，太陽能光伏產(chǎn)業(yè)是發(fā)展最快的新能源產(chǎn)業(yè)之一。根據(jù)國際能源署的數(shù)據(jù)，截至2021 年底，全球太陽能光伏發(fā)電總裝機容量已經(jīng)達到了773GW，較2010 年的40GW 增長了近20 倍。其中中國的太陽能光伏發(fā)電裝機容量最大，達到了253 GW，其次是美國、歐洲等國家和地區(qū)[2]。太陽能光伏產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)眾多，包括工業(yè)硅提煉、晶體硅提純、硅棒/硅錠制造、硅片生產(chǎn)、電池制造、電池組件封裝、光伏系統(tǒng)組建及相關(guān)專業(yè)配套設(shè)備和材料制造等。硅料、硅片等生產(chǎn)是產(chǎn)業(yè)鏈上游環(huán)節(jié)，電池片、電池組件、逆變器、支架等生產(chǎn)是產(chǎn)業(yè)鏈中游環(huán)節(jié)，而產(chǎn)業(yè)鏈下游環(huán)節(jié)多為應用系統(tǒng)。一般而言，太陽能光伏產(chǎn)業(yè)鏈下游涉及的企業(yè)數(shù)量較中上游企業(yè)更多。太陽能電池在光伏產(chǎn)業(yè)具有主導地位，并且隨著能源的短缺日益加強。（圖1）

圖1 太陽能光伏產(chǎn)業(yè)鏈示意圖

2 太陽能電池的原理及分類

太陽能電池是利用半導體材料的光電效應將太陽能轉(zhuǎn)化為電能。太陽能電池按照材料類型可分為硅太陽能電池、非晶硅太陽能電池、銅銦鎵硒（CIGS）太陽能電池、鈣鈦礦太陽能電池等[3]。硅太陽能電池較常見，其特點是穩(wěn)定可靠，但光電轉(zhuǎn)換效率一般不高。硅太陽能電池主要分單晶硅和多晶硅太陽能電池，單晶硅和多晶硅太陽能電池的差異主要體現(xiàn)在材料結(jié)構(gòu)、外觀、轉(zhuǎn)換效率、制造成本及性能穩(wěn)定性上。硅太陽能電池原材料一般包括硅片、鋁漿、銀漿、氫氟酸、硝酸等，輔助材料主要包含各類網(wǎng)板、各類化學品、各類氣體及包裝材料等。非晶硅電池是改進版本的硅太陽能電池，光電轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性都有所提高。CIGS太陽能電池采用新型半導體材料使其轉(zhuǎn)換效率更高，使用壽命更長。鈣鈦礦太陽能電池是一款新興太陽能電池，具備成本小、使用簡便等優(yōu)勢[4]。目前市場主流產(chǎn)品以硅太陽能電池為主，《中華人民共和國2022 年國民經(jīng)濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報》顯示，2022 年我國太陽能電池（光伏電池）產(chǎn)量3.4 億千瓦，比上年增長46.8%。

3 太陽能電池生產(chǎn)項目節(jié)能研究案例

3.1 工程概況

以某年產(chǎn)3GW 太陽能高效電池光伏項目為例，該項目總用地面積約297.4 畝，總建筑面積約7 平方米，總投資約30 億元，新建電池車間、倉庫、辦公等生產(chǎn)、倉儲、公用輔助用房，購置黑硅設(shè)備、刻蝕機等生產(chǎn)設(shè)備，進料檢測試儀、EL 測試儀等檢測設(shè)備，供配電、給排水、空壓機等公用工程設(shè)備及環(huán)保設(shè)備等建設(shè)太陽能高效電池片生產(chǎn)線12 條以及硅片深加工生產(chǎn)線3 條，實現(xiàn)年產(chǎn)500MW 單晶硅太陽能高效電池片、2500MW 多晶硅太陽能高效電池片及1GW 高效深加工硅片的生產(chǎn)規(guī)模。該項目運營后，年消耗電力1.86 億kWh、天然氣7.6 萬m3、蒸汽6.1 萬t、氧氣30 萬Nm3、新水337 萬t，年綜合能耗為6.2 萬噸標煤（等價值）和2.9 萬噸標煤（當量值），項目新增能耗對所在地“十四五”期間能源消費增量影響較大，需從主要耗能工序、重點用能設(shè)備、項目能效水平、節(jié)能技術(shù)及管理措施等多方面研究項目節(jié)能潛力，提高企業(yè)節(jié)能管理及技術(shù)水平。

3.2 主要耗能工序節(jié)能研究

該項目主要生產(chǎn)常見的硅太陽能電池，太陽能電池片工藝流程主要分為單晶硅電池片和多晶硅電池片生產(chǎn)工藝流程。單晶硅電池片生產(chǎn)工藝流程中主要工序包括預清洗制絨、擴散、化學蝕刻（去除氧化層）、刻蝕后氧化及背面鍍膜、減反射膜、絲網(wǎng)印刷、激光打孔、激光打孔、燒結(jié)、測試、分類、包裝等。多晶硅電池片生產(chǎn)工藝流程主要工序包括黑硅、擴散、化學蝕刻（去除氧化層）、刻蝕后氧化及背面鍍膜、減反射膜、絲網(wǎng)印刷、激光打孔、燒結(jié)、測試、分類、包裝等。

預清洗制絨工序指由于購進的原材料硅片表面附著粉塵，采用超聲波清洗方式進行清洗，洗滌采用純水、氫氧化鉀溶液、雙氧水，清洗好的硅片甩干后插入片籃，然后進行堿制絨。制絨是利用硅的各向異性腐蝕特性，在硅片表面蝕刻出類似于金字塔或凹坑狀結(jié)構(gòu)，其目的是利用陷光原理，減少光的反射率，提高短路電流，增加P-N 結(jié)的面積，從而提高電池片成品的光電轉(zhuǎn)換效率。黑硅工序是指通過化學溶液腐蝕（濕法）或者離子態(tài)腐蝕性氣體腐蝕（干法），在硅片表面進一步制作更小尺度的表面結(jié)構(gòu)，獲得更低的反射率，加大光的吸收利用。擴散工序過程是使氣體攜帶磷源，將磷源沉積在硅片表面，再利用高溫制造出硅片表面所需的N 層。化學蝕刻工序是指在擴散時，硅片的正面形成一層很薄的磷硅玻璃層（此磷硅玻璃含有影響效率的非活性磷），同時硅片邊緣也被擴散到磷原子形成N型層，使得正面和反面導通；為了去除正面的磷硅玻璃和斷開正面和反面的導通，利用硝酸、硫酸、氫氟酸在低溫下實現(xiàn)背面腐蝕拋光斷開P 層和N 層連接，再利用氫氧化鉀和純水清洗表面，后面繼續(xù)利用氫氟酸在常溫下把磷硅玻璃腐蝕掉，再用純水清洗。原子層沉積技術(shù)是一種有序的氣相薄膜生長技術(shù)，具有良好的保形性、均勻性和高的臺階覆蓋率。背面鍍膜工序采用三甲基鋁、氧氣、一氧化二氮，在250～500℃條件下，通過原子層沉積氧化鋁薄膜對晶體硅太陽能電池硅片進行表面鈍化，能夠增加載流子的有效壽命，從而使得太陽能電池整體轉(zhuǎn)換效率得到大幅度提高。減反射膜工序在250～500℃條件下，通入硅烷、氨氣、氮氣（氮氣為保護氣），利用硅烷、氨氣之間的反應在硅片正表面形成一層氮化硅減反射膜。絲網(wǎng)印刷工序在室溫情況下，硅片表面分別印刷背面銀漿、背面鋁漿、正面銀漿；背面銀漿和背面鋁漿印刷之后，分別都會在200～300℃條件下進行烘干。使用銀漿、鋁漿，一般由金屬粉末和有機溶劑以及固體樹脂構(gòu)成，經(jīng)過烘干后有機溶劑和固體樹脂都被揮發(fā)，剩余金屬留在硅片表面。燒結(jié)工序指將印刷好的硅片放入燒結(jié)爐中，在600～800℃條件下，使正面銀漿的漿料中的有機物充分揮發(fā)出來，同時背面銀漿和背面鋁漿也在高溫下與硅片形成良好的歐姆接觸，從而起到導電的作用。燒結(jié)后自然冷卻，即為成品晶硅太陽能電池片。太陽能電池片制作完成后，使用測試儀器測量其性能參數(shù)，將電池片按照效率等級進行分檔篩選，包裝出貨，包裝采用塑料薄膜充氮包裝，封裝于泡沫袋內(nèi)，包裝后的成品入庫儲存。

各類生產(chǎn)工序中制絨、背面鈍化及絲網(wǎng)印刷工序占項目整體能耗的比重較大。制絨工序如采用單面制絨，較雙面制絨工藝，可以節(jié)水50%，化學品節(jié)省35%以上。刻蝕后氧化及背面鍍膜工序中如采用鈍化發(fā)射極和背面技術(shù)（PERC）在電池背面增鍍?nèi)趸X，實現(xiàn)背面鈍化，可以提升電池效率，節(jié)約能耗。（圖2）

圖2 電池片生產(chǎn)工藝流程圖

3.3 重點用能設(shè)備節(jié)能研究

該項目重點用能設(shè)備包括制絨機、高溫擴散爐、管式PECVD 設(shè)備、絲網(wǎng)印刷機等。制絨機一般可選用制絨一體機，其酸堿槽的自動補液裝置可實現(xiàn)無間斷生產(chǎn)，可顯示濃度變化曲線、溫度曲線及各工位工作狀態(tài)，節(jié)能高效，智能化程度高。高溫擴散爐采用帶通訊的智能串級溫度控制系統(tǒng)分段對爐體進行獨立控制，可精確控制各段爐絲的溫度，溫控部件結(jié)合通訊系統(tǒng)，根據(jù)需求設(shè)置斜率升降溫，從而全自動控溫，符合節(jié)能高效的要求。管式PECVD 設(shè)備可使用等離子體化學氣相沉積技術(shù)，該技術(shù)作為一種新型脈沖直流等離子體輔助沉積鍍膜新技術(shù)，將適當比例的不同氣體加入具有特定壓力和溫度的真空爐內(nèi)，脈沖電壓作用下由輝光放電產(chǎn)生均勻的等離子體，不同工藝條件下均可在被處理硅片表面形成所需的膜，運行效率高，節(jié)能能源。絲網(wǎng)印刷是太陽能電池電極生產(chǎn)項目中最普遍的工藝程序，絲網(wǎng)印刷工藝中硅片在印上銀漿和鋁漿后需進入燒結(jié)爐高溫燒結(jié)，采用快速燒結(jié)爐可實現(xiàn)不同溫度的燒結(jié)，絲網(wǎng)印刷機應選用智能化程度高、節(jié)能高效型產(chǎn)品。

3.4 輔助和附屬設(shè)備節(jié)能研究

該項目輔助和附屬生產(chǎn)設(shè)備以通用設(shè)備為主，包括電力變壓器、冷水機組、空氣壓縮機、冷凍水泵、冷卻水泵等。項目選用的110kV 主變壓器為油浸式三相雙繞組有載調(diào)壓電力變壓器，10kV 降壓變壓器均選用SCB14 及以上型號的節(jié)能型變壓器，查詢各變壓器的空載損耗和負載損耗，均滿足《電力變壓器能效限定值及能效等級》（GB20052-2020）規(guī)定的2 級及以上能效水平。大型生產(chǎn)項目變壓器的選型需考慮高效率、低能耗、先進性且經(jīng)國家認證的產(chǎn)品，且需保障變壓器在經(jīng)濟運行負荷率（75%～85%）內(nèi)運行。項目選用制冷量4220kW 的變頻水冷離心式冷水機組，單機功率為730kW，COP 為5.8，對照《冷水機組能效限定值及能效等級》（GB 19577-2015），名義制冷量大于1163kW 的水冷式設(shè)備2 級能效等級限值為5.8，該冷水機組能效等級達到2 級能效要求，滿足節(jié)能要求。該項目選用的水冷螺桿式空氣壓縮機單臺額定產(chǎn)氣量為34m3/min，額定壓力為0.8MPa，驅(qū)動電動機輸入額定功率為200kW，在0.8MPa 額定壓力下，考慮服務系數(shù)且滿載時名義比功率為5.86kW/（m3/min），達到《容積式空氣壓縮機能效限定值及能效等級》（GB 19153-2019）中的二級能效水平。該項目空壓機采用了水冷式，水冷式空壓機依托水循環(huán)為設(shè)備散熱，其冷卻效果只與冷卻水水質(zhì)相關(guān)，因此需把好水質(zhì)關(guān)；另外該項目空壓機為螺桿式，其相比于活塞式空壓機具有低噪聲、高效率及高可靠性等特點。項目選用的臥式雙吸冷凍水泵單泵參數(shù)流量Q 為360m3/hr，揚塵H 為45m，額定功率N 為132kW，泵效率為89%，通過計算比轉(zhuǎn)速、查取未修正效率、確定效率修正值、計算泵規(guī)定點效率值、能效限定值及節(jié)能評價值可知所選水泵滿足《清水離心泵能效限定值及節(jié)能評價值》（GB19762-2007）中對泵節(jié)能評價值的要求。

3.5 項目節(jié)能措施

3.5.1 工藝設(shè)備節(jié)能技術(shù)措施

該項目工藝技術(shù)先進成熟，工藝設(shè)計參數(shù)選擇合理。如采用LDSE/背鈍化/MBB/雙面技術(shù)，可大幅提升電池的光電轉(zhuǎn)化效率，結(jié)合全新的過剩載流子退火工藝，達到部分提效和抑制光衰的效果。多晶硅黑硅制絨技術(shù)采用金屬催化輔助的濕法化學刻蝕法，該絨面可以克服金剛線線切多晶硅片使用常規(guī)制絨工藝后反射率更高并有明顯的線痕等外觀缺陷。單晶硅太陽能電池硅片刻蝕選擇優(yōu)質(zhì)添加劑，可使塔基尺寸、形狀等改善，單晶硅電性能參數(shù)改善，添加劑初期時生產(chǎn)的電池片效率提升，填充因子提高[5]。在滿足生產(chǎn)工藝前提下，設(shè)備盡量選用節(jié)能、低噪音型產(chǎn)品。制訂各工序設(shè)備開、停操作規(guī)程，避免設(shè)備空轉(zhuǎn)，防止能源浪費和設(shè)備事故。加強設(shè)備和管道的絕熱保溫，減少跑、冒、滴、漏現(xiàn)象。工藝設(shè)備布置時盡量考慮物料傳遞順暢，以減小中間物料的輸送，優(yōu)化設(shè)計，將相關(guān)的上、下工序銜接合理，達到節(jié)能的目的。根據(jù)實際情況合理配置機加工設(shè)備大小，避免大馬拉小車現(xiàn)象。對于功率較大的電機（特別是動力設(shè)備）盡量采用高壓電機，減少電能損耗。設(shè)備、系統(tǒng)的布置在滿足安全運行，方便檢修的前提，盡可做到合理、緊湊，以減少各種介質(zhì)的能量損失。

3.5.2 輔助系統(tǒng)節(jié)能措施

輔助系統(tǒng)節(jié)能措施主要包括總圖運輸節(jié)能、建筑節(jié)能、電氣節(jié)能、暖通空調(diào)節(jié)能、可再生能源利用節(jié)能等。總圖運輸節(jié)能合理布置總圖和太陽能電池生產(chǎn)車間內(nèi)布局，公用動力設(shè)施盡量位于負荷中心，減少線路過長帶來的能源損失。建筑節(jié)能方面嚴格實施建筑節(jié)能設(shè)計標準，提高建筑物圍護結(jié)構(gòu)的保溫隔熱性能。電氣節(jié)能方面合理選擇變壓器的容量和臺數(shù)，選擇節(jié)能環(huán)保型、低損耗、低噪音變壓器，減少輕載運行導致的電能損耗。暖通空調(diào)節(jié)能方面，太陽能電池生產(chǎn)車間部分區(qū)域有潔凈度要求，流線型上送側(cè)回凈化效果較好，有效節(jié)約暖通能耗。可再生能源利用方面可以考慮雨水收集利用、安裝太陽能照明裝置、安裝屋面光伏發(fā)電系統(tǒng)等節(jié)能措施。

3.5.3 節(jié)能管理措施

節(jié)能管理措施首先建立在合理的能源計量基礎(chǔ)上，納入能源計量的能源（耗能工質(zhì)）種類通常由電力、天然氣、蒸汽、新水、氧氣、氮氣、壓縮空氣等組成。項目計量器具的配備按照《用能單位能源計量器具配備和管理通則》（GB 17167-2006）標準、《能源管理體系要求及使用指南》（GB/T 23331-2020）和能源三級計量管理網(wǎng)絡(luò)要求執(zhí)行。加強對能源計量器具的維護和檢定、落實能源計量管理責任，保證能源計量數(shù)據(jù)真實、準確、完整，對重點轉(zhuǎn)換設(shè)備運行管理、維護監(jiān)測、電氣檢修實施管理，提高轉(zhuǎn)換效率。

節(jié)能管理措施方面還可設(shè)立能源管理專職機構(gòu)，定期監(jiān)督、檢查能源使用情況。構(gòu)建產(chǎn)品能耗定額考核指標體系，建立能耗統(tǒng)計臺帳，對能耗統(tǒng)計數(shù)據(jù)及報表進行網(wǎng)絡(luò)化管理。按規(guī)范配齊各類各級能源計量器具，定期研究能源消耗統(tǒng)計和能量平衡情況，完善能源消耗統(tǒng)計制度。

3.6 項目能效水平研究

該項目主要消耗電力，電力消耗約占項目綜合能源消耗量的90%左右，而電力消耗中制絨機、清洗機、擴散爐、燒結(jié)爐、管式PECVD 設(shè)備等主要生產(chǎn)設(shè)備消耗電力占項目總耗電量的60%以上，其次是供液系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)、廢氣處理系統(tǒng)、空壓機、水泵等輔助生產(chǎn)設(shè)備消耗電力。項目主要能效指標包括電池綜合電耗（萬kWh/MWp）、電池取水量（m3/MWp）等，主要能效對比標準包括《光伏制造行業(yè)規(guī)范條件》（2021 年本）、《光伏電池行業(yè)清潔生產(chǎn)評價指標體系》等。《光伏制造行業(yè)規(guī)范條件》（2021 年本）要求晶硅電池項目平均綜合電耗小于8 萬kWh/MWp，P 型晶硅電池項目水耗低于750 噸/MWp，N 型晶硅電池項目水耗低于900 噸/MWp[6]。該項目通過采取先進生產(chǎn)工藝及相關(guān)節(jié)能技術(shù)措施、節(jié)能管理措施，電池綜合電耗達到6.25 萬kWh/MWp，電池取水量達到841.55m3/MWp，能效水平達到《光伏電池行業(yè)清潔生產(chǎn)評價指標體系》中I 級基準值，達到國際清潔生產(chǎn)領(lǐng)先水平。（表1）

表1 光伏電池企業(yè)指標標準[7]

4 結(jié)語

大力發(fā)展新能源是發(fā)展全球低碳經(jīng)濟的有效措施之一，相比于傳統(tǒng)能源，新能源沒有碳排放等環(huán)境成本問題，是傳統(tǒng)能源的替代方向。應用于光伏發(fā)電領(lǐng)域的光伏太陽能高效電池片有著巨大市場需求，較為合理用能結(jié)構(gòu)、先進成熟的工藝設(shè)備以及可行的節(jié)能措施將為太陽能電池生產(chǎn)項目帶來更強的市場競爭力，提升我國太陽能電池生產(chǎn)等新能源領(lǐng)域的發(fā)展水平。