以技术创新推动晶体硅太阳能电池智慧生产线建设

谢建国，赵加宝

(中国电子科技集团公司第四十八研究所，湖南长沙410111)

太阳能光伏具有无污染、存在普遍性以及永不枯竭等优点，是解决人类能源危机及环境问题的有效途径，是最具前景的新能源技术之一。太阳能光伏的核心部件是太阳能电池。目前，80%的太阳电池是由晶体硅材料制备而成[1]，在今后较长一段时间内，晶硅电池凭借其在转换效率、工艺成熟性及使用寿命等核心指标上的优势仍将占据市场主流。目前，晶体硅太阳能电池发电的根本问题是相对于传统的发电方式成本过高，其市场需求在很大程度上依赖于政府政策，特别是电价补贴政策，但是政府补贴一定会有数量和时间的限制，光伏产业长远生存的关键是在有限的时间内降低成本，做到只靠市场需求，摆脱政府补贴，使光伏发电能够与传统火电平价竞争[2，3]。

晶体硅太阳能电池生产线的技术水平直接影响太阳能电池的转换效率和生产成本，是太阳能光伏产业竞争力的集中体现。纵观晶体硅电池近10年来的快速发展历程，每一次单位千瓦发电成本的降低，关键均在于光伏电池制造环节的重大革新。国家《太阳能光伏产业“十二五”发展规划》、《可再生资源中长期发展规划》中也明确指出要扶持光伏专用设备的发展以及中试线的建设。

本文对晶体硅太阳能电池生产线的技术现状进行综述，并结合晶体硅电池技术的未来发展方向，分析了晶体硅太阳能电池生产线技术的发展趋势，在此基础上，提出了一种晶体硅太阳能电池智慧生产线，简要介绍了其结构组成，特点及实现。

图1 晶体硅太阳能电池生产线工艺流程

1 技术现状分析

1.1 我国晶体硅太阳能生产线技术现状

晶体硅太阳能电池产业链包括材料提纯、电池制造、组件制造等环节，其中的电池制造又分为硅片切割、清洗制绒、扩散制结、刻蚀、减反射膜制备、表面电极印刷、高温烧结、测试分选等多个工艺步骤（见图1 所示），相应工艺步骤在生产线上分别由切片机、清洗机、扩散炉、PECVD、刻蚀机、丝网印刷机、测试分选机等多种设备完成，各专用设备与相应的自动连接系统构成了晶体硅电池生产线。

设备是生产线建设的基础，占晶硅电池生产线建设总投资的近70%，随着国家对新型可再生能源发展的重视，国产光伏装备制造业随着光伏产业的发展不断壮大，在太阳能光伏领域所需设备的技术含量不如IC 产业的大前提下，高性价比成了国产光伏设备与国外产品竞争的核心优势，国内知名光伏设备厂商中国电子科技集团公司第四十八研究所、北京七星华创等充分利用了这一优势，经过数年发展，逐步打破了进口光伏设备的垄断。目前，国产光伏装备中的扩散炉、管式PECVD、清洗/ 制绒机等达到或接近了国际先进水平，占据了国内大部分市场，自动分选设备、快速烧结炉与国际先进水平有差距，但正在缩小，已开始在大生产线使用，且市场份额正逐步扩大，只有全自动丝网印刷设备和平板式PECVD 尚未取得实质性突破，整体技术水平和国外差距较大。目前，国内主流建线方案采用国产设备与进口设备混搭的方式，国产设备在数量上已占多数。根据中国电子专用设备工业协会统计的数据，随着国产设备的质量和性价比不断提高，光伏企业对国产设备的认知度越来越高。国产设备的大量使用使得企业投资成本大大降低，成为中国太阳能光伏产业在短短的数年间获得飞速发展，具备国际竞争能力的利器。

目前，我国光伏设备企业已基本具备太阳能电池制造整线装备能力，中国电子科技集团公司第四十八研究所等国内实力厂商还可提供一整套完善的晶硅太阳能电池生产线“交钥匙”系统方案，这不仅意味着国内光伏企业在设备更替和工艺改进上可以从此不再受制于国外，还能够极大地缩短投产时间，避免走弯路，从而大大节约生产线建设的总体投资成本、运行成本和产能扩张成本，具有极强的本土适应性[4-6]。

1.2 亟待解决的主要问题

然而我们也应该看到，我国光伏装备及生产线建设的成功主要是是通过低价策略（平均只有进口设备的1/3）取得的，与国外先进厂商相比，装备及生产线技术水平有待进一步提升，主要体现在：

（1）核心装备技术水平。目前，国产光伏装备在整体技术水平特别是尖端技术水平、设备的稳定性和工艺能力等方面与国外先进厂商存在差距；

（2）自动化程度。虽然我国各大光伏领军企业的光伏电池生产线已经部分采用自动插片机、取片、上料机构以及设备间的自动转送装置，但整体水平仍处于半自动化状态，人工干预较多，碎片率高，片源污染严重，且产品一致性和质量稳定性差。反观国外先进的生产线实现了全自动化，整线只需要7～8 人，具有很高的生产效率、产品质量和很强的竞争成本优势；

（3）监控与决策。国内企业多采用粗放型生产、缺乏生产线的全局监控与信息的智能处理，管理与生产脱节，生产运营成本居高不下[9]。

2 技术发展趋势

目前，晶硅电池技术正朝大面积、薄型化发展，电池片尺寸由目前主流的125 mm×125 mm和156 mm×156 mm 发展到210 mm×210 mm，硅片厚度也由目前主流的200 μm 和180 μm 发展到150 μm 及以下，以节省硅材料降低成本。此外，电池的光电转换效率、成品率要求也越来越高，这对晶体硅电池生产线的技术水平提出了更高的要求，为了适应晶硅电池技术的发展，未来的晶体硅电池生产线将具有以下技术特征：

（1）创新工艺与装备相融合。现代晶体硅电池生产线将采用新的生产工艺，并将先进的工艺物化于设备，实现先进工艺与设备的紧密融合，以提升生产线的技术水平。

如在铸锭环节中，采用高效铸锭技术，改进铸锭炉热场设计、优化晶体生长工艺以提升材料性能，使电池的转换效率得到提高。在扩散制结环节中，采用减压技术提高扩散方阻的均匀性，并降低扩散过程中化学品的用量。在表面电极金属化环节，采用非接触式的激光技术（激光刻槽埋栅、激光转印技术等）、喷墨打印技术取代传统的丝网印刷工艺，以减少正面栅线电极的遮光损失，提高电池效率，同时降低碎片率。

此外，随着晶硅电池更进一步向高效发展，与传统晶硅电池生产线有较好兼容性的PERC、N型、HIT 等高效电池将得到大批量产，并在今后较长一段时间内成为市场热点，先进的钝化、镀膜技术及高技术水平的光伏设备（大面积平板式PECVD 等）将引入到晶硅太阳能电池大生产线[7，8]。

在未来核心光伏装备的研制方面，随着计算机建模仿真技术的不断发展，集机械、电子、流体、温场、磁场为一体的多学科复合建模仿真方法将逐步得到应用，为具有尖端技术水平的复杂光伏装备研发提供有力的技术支持。

（2）高产能与高效自动化。现代的晶体硅电池生产线更注重高产能与高效自动化，一方面，生产线上单台设备的装片量和产能越来越高，以通过规模化效应最大限度地降低电池和组件每瓦的成本，如铸锭炉的单锭质量由目前主流的800 kg 和1 000 kg 发展到1 200 kg 和1 500 kg 及以上，扩散炉单管的装片量由目前主流的500 片发展到以后的800 片和1 000 片及以上，以提高生产效率，降低单位能耗，进而降低硅片生产成本。另一方面，生产过程大量采用高效自动化技术，生产线的自动化水平将由目前的单台设备自动化升级为车间整体自动化。高效自动化技术的大规模应用将带来以下效果：

①1 提高产能。自动化技术使太阳能电池的生产和工艺流程更加高效，设备利用率更高，硅片处理的速度更快（与手工传递相比，自动传送可提高整线约25%的生产率），生产线效率和产能得到提高；

②2 降低损耗及成本。随着硅片向大尺寸、超薄方向的发展，硅片在制造、传送过程中采用人工处理极易碎裂，采用先进的自动化技术可防止人工失误，降低碎片率并减少片源污染，适用于未来薄片化、大尺寸的硅片生产，同时，自动化技术的应用可以降低人工成本。

③3 可靠性，标准化与一致性。

自动化技术减少了人工干预，提高了生产线的可靠性、产品的一致性、质量稳定性，同时也尽可能地消除了人为误操作带来的设备故障。

（3）监控与决策智能化。未来的晶体硅太阳能电池生产线将通过计算机技术、总线控制通讯技术、智能数据分析处理技术实现监控与决策的智能化，主要体现在以下方面：

①1 总线式智能监控。采用现场总线技术，实现工厂现场级、控制级、管理级的数据互联，促进现场信息、监控信息、管理信息和市场信息的融合、交流与互动，实现基础自动化、管理自动化和决策自动化三者的无缝集成(Seamless Integration)。总线式智能监控系统很好地实现了生产线的优化运行和最佳调度，避免了生产与管理的脱节，并且在更大的范围内支持企业的正确决策，给企业创造更多的经济效益，使光伏生产线自动化进入一个崭新的时代。

②2 先进传感技术的应用、多源传感器信息的融合。近年来，机器视觉技术已从军事、医疗、航空航天等领域深入发展到光伏装备的状态检测中，并且已成功应用于丝网印刷工作台的精确定位等方面，随着光伏生产线监控技术的发展，越来越多的先进传感技术将会在光伏生产线上得到应用。

此外，多源传感器信息的融合技术将成为未来光伏生产线状态监测的发展热点，多源信息融合技术通过多类传感器（温度、位置、流量等）对现场设备及生产线的多类信息进行监测，并通过计算机将多类信息加以智能集成，产生比单一信息源更准确、可靠的估计和判决，可有效提高诊断决策的鲁棒性，具有更好的综合检测及决策效果。

③3 与现代智能决策方法的融合。现代智能方法包括人工智能、专家系统、神经网络、灰色系统理论、支持向量基、进化计算等，随着光伏生产线向智能化方向发展，通过现代智能方法实现智能监控和智能决策是光伏生产线的未来发展方向[9，10]。

3 智慧生产线的提出

根据现代晶体硅太阳能电池生产线的技术特征，提出一种实用化的晶体硅太阳能电池智慧生产线。

3.1 系统组成

晶体硅太阳能电池智慧生产线的系统框架如图2 所示，整个系统由现场级、控制级和决策级三级组成，现场级由生产线各工艺环节的生产设备、物料自动输送设备、相关的各类传感器等组成，现场级的各类传感器对生产设备和物料自动输送设备的实时状态进行数据采集，通过传感器智能接口、工业现场总线，实时检测信息输送至控制级。控制级由各生产设备、物料自动输送设备的分散控制系统及HMI 人机交互系统组成，分散控制系统接收现场级的状态信息，并根据程序指令向现场级发出控制信号，实现生产设备和物料自动输送设备的自动控制功能，HMI 人机交互系统与分散控制系统数据互联，实现生产设备、物料自动输送设备的实时状态监测、工艺选择、数据记录、故障报警等功能。管理级计算机通过工业以太网与控制级相联，可对实时查看整个晶体硅太阳能电池生产线各工艺环节生产设备、物料自动输送设备运行情况信息，此外，管理级计算机还设有专家系统，通过对生产线实时状态信号、物料信息、历史数据信息、市场需求信息进行数据融合，实现生产线的维修维护决策、生产执行决策等功能。

3.2 特点及实现

晶体硅太阳能电池智慧生产线具有以下特征：

（1）先进工艺物化于设备。晶体硅太阳能电池智慧生产线在电池制造环节中采用高效多晶硅铸锭技术、高方阻减压扩散技术、二次印刷技术、叠层减反射膜技术、背面钝化技术等先进的工艺技术，并将先进的工艺进一步物化于设备，使电池转换效率比常规晶硅电池大幅提高。

（2）过程高效自动化。晶体硅太阳能电池智慧生产线采用全自动上下料系统、全自动石英舟自动插片机、石墨舟自动插片机、全自动硅片/ 电池片自动分选设备，将整线设备进行自动化组合连接，使晶体硅太阳能电池生产线由传统的单台设备自动化升级为车间整体自动化，最终实现了整线设备及其连接系统的综合自动化。

（3）智能化管理。晶体硅太阳能电池智慧生产线通过工业现场总线、工业以太网将生产线的现场级、控制级和管理级进行无缝链接，实现生产信息，物料信息，管理信息和市场信息的融合、交流与互动。并设有专家系统，可实现生产线的状态实时监测、维修维护决策、生产管理决策等功能。

图2 智慧生产线总体框架

4 结 论

晶体硅电池生产线是晶体硅太阳能电池生产的基础和支撑，其技术水平直接影响太阳能电池的转换效率和生产成本。随着我国光伏产业的发展，国产光伏设备及生产线建设发展不断前行，我国光伏设备企业已基本具备太阳能电池制造整线装备能力，其高性价比成为了中国太阳能光伏产业在短短的数年间获得飞速发展，具备国际竞争能力的利器。然而，我国光伏设备及生产线建设的成功是在太阳能光伏领域所需要设备的技术含量不如IC 产业的大前提下主要依靠低价策略取得的，由于我国光伏领域起步较晚，目前我国晶硅电池生产线建设也存在核心设备和工艺技术水平落后、自动化程度低、粗放型生产，管理与生产脱节等问题。目前，晶体硅电池生产线技术正朝着创新工艺及设备相结合、过程高效自动化、监控与决策智能化方向发展，当务之急是通过技术创新提高生产线的技术水平，以提升效率、降低成本。

智慧生产线将先进工艺物化于设备，使电池转换效率比常规晶硅电池大幅提高。通过先进的自动化技术将单台设备自动化升级为车间整体自动化，最终实现了整线的综合自动化。采用工业现场总线技术将生产线的现场级、控制级和管理级进行无缝链接，实现生产信息，物料信息，管理信息和市场信息的融合、交流与互动。此外，智慧生产线还可通过专家系统，实现生产线的状态实时监测、维修维护决策、生产管理决策等功能，符合未来晶硅电池生产线技术的发展趋势。实现智慧生产线的国产化，可大幅度地提升晶硅电池生产线的技术水平，提高电池的转换效率、降低生产成本，使光伏发电能够与传统火电平价竞争，实现平价上网，从根本上解决光伏产业发展的瓶颈具有重要意义。

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