光伏生產(chǎn)設(shè)備的選擇與應(yīng)用

光伏生產(chǎn)設(shè)備的選擇與應(yīng)用

照明行業(yè)是21世紀以來最具潛力的新興行業(yè)之一。它在技術(shù)、工業(yè)和市場應(yīng)用方面取得了巨大的進步。在全球光伏產(chǎn)業(yè)強勁推動下，2010年中國太陽能電池的產(chǎn)量大概在世界占50%，全球前10家太陽能電池廠商中，中國大陸占了4家。2010年，全球硅片產(chǎn)量達到19GW，中國產(chǎn)量達到11GW，約占58%。2010年，全球多晶硅產(chǎn)量近16萬噸，中國大陸產(chǎn)量約為4.5萬噸，約占全球的28%左右。在光伏專用設(shè)備方面，去年的銷售額超過了30億元。中國大陸的光伏產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為一個從業(yè)人員數(shù)十萬、經(jīng)濟規(guī)模千億元級的大產(chǎn)業(yè)。近幾年全球的太陽能發(fā)展，每年都在以30%、40%，甚至于超過50%的速度在增長。中國目前在太陽能電池組件方面，發(fā)展的速度很快。在其6年到8年的時間，已成為全球最大的生產(chǎn)國和供應(yīng)商。日前，財政部、科技部和國家能源局聯(lián)合下發(fā)《關(guān)于做好2011年金太陽示范工作的通知》，中央財政將繼續(xù)補貼金太陽示范工程，其中，采用晶體硅組件的示范專案補助標準為9元/W，采用非晶硅薄膜組件的為8元/W。根據(jù)財政部等部門的計劃，2011及2012年兩年中，中國將進一步擴大金太陽示范工程范圍，力爭2012年以后每年國內(nèi)光伏應(yīng)用規(guī)模不低于1000MW，形成持續(xù)穩(wěn)定、不斷擴大的光伏發(fā)電應(yīng)用市場。1太陽能電池企業(yè)面臨更大挑戰(zhàn)據(jù)美國Solarbuzz的調(diào)查，預(yù)計太陽能電池制造設(shè)備2011年的市場規(guī)模將比上年增長41%，達到152億美元。太陽能電池制造設(shè)備的市場規(guī)模在2011年第一季度一度達37億美元，創(chuàng)歷史最高水平。雖然到2011年第二季度，市場規(guī)模仍將繼續(xù)擴大，但在此峰值之后，市場規(guī)模將開始縮小。設(shè)備投資將驟減的原因在于歐洲削減補貼。預(yù)計2011年太陽能電池市場將比上年只增長12%。受此影響，2011年下半年，太陽能電池廠商將開始重新審視產(chǎn)能擴大計劃。由于從制造設(shè)備訂貨到供貨需要3～6個月，因此要到2012年才會真正影響到制造設(shè)備。光伏行業(yè)的大發(fā)展引發(fā)了市場對硅片、晶硅以及元件生產(chǎn)設(shè)備的需求。同時，在光伏行業(yè)進入新洗牌期之際，很多企業(yè)面臨更大的挑戰(zhàn)，即盡可能地降低生產(chǎn)成本成為企業(yè)尋求生存的關(guān)鍵。2010年我國晶硅太陽能設(shè)備大幅度增長，13家主要太陽能電池設(shè)備制造商太陽能設(shè)備銷售收入達到36.8億元，比2009年增長了82.1%。其中，太陽能級晶硅生長設(shè)備銷售收入23.2億元，比上年增長93.3%，占太陽能電池設(shè)備銷售收入的63.0%。太陽能級晶硅生長設(shè)備（包括單晶生長爐和多晶鑄錠爐）是主要驅(qū)動力之一。2010年晶硅太陽能電池芯片制造設(shè)備增長30.5%，達到10.4億元，占太陽能電池設(shè)備銷售收入的28.3%。中國已經(jīng)成為太陽能電池組件的全球第一大生產(chǎn)國。按照每年30%到40%的增長，每年需要新增單晶爐3000臺左右，才能滿足市場需求。通常，單晶硅爐的主體部分使用壽命約在3到5年，光伏行業(yè)近幾年快速發(fā)展，未來幾年將會涌現(xiàn)大批光伏設(shè)備更新的需求。2改良東北部法：以改良為核心多晶硅是由硅純度較低的冶金級硅提煉而來，由于各多晶硅生產(chǎn)工廠所用主輔原料不盡相同，因此生產(chǎn)工藝技術(shù)不同；進而對應(yīng)的多晶硅產(chǎn)品技術(shù)經(jīng)濟指標、產(chǎn)品質(zhì)量指標、用途、產(chǎn)品檢測方法、過程安全等方面也存在差異，各有技術(shù)特點和技術(shù)秘密，總的來說，目前國際上多晶硅生產(chǎn)主要的傳統(tǒng)工藝有：改良西門子法、硅烷法和流化床法。改良西門子法是目前主流的生產(chǎn)方法，采用此方法生產(chǎn)的多晶硅約占多晶硅全球總產(chǎn)量的85%。但這種提煉技術(shù)的核心工藝僅僅掌握在美、德、日等7家主要硅料廠商手中。這些公司的產(chǎn)品占全球多晶硅總產(chǎn)量的90%，它們形成的企業(yè)聯(lián)盟實行技術(shù)封鎖，嚴禁技術(shù)轉(zhuǎn)讓。短期內(nèi)產(chǎn)業(yè)化技術(shù)壟斷封鎖的局面不會改變。在未來15～20年內(nèi)，采用改良西門子法工藝投產(chǎn)多晶硅的資金將超過1000億美元，太陽能級多晶硅的生產(chǎn)仍將以改良西門子法為主，改良西門子法依然是目前生產(chǎn)多晶硅最為成熟、可靠、投產(chǎn)速度快的工藝，與其他類型的生產(chǎn)工藝處于長期的競爭狀態(tài)，很難相互取代。尤其對于中國的企業(yè)，由于技術(shù)來源的局限性，選擇改良西門子法仍然是最現(xiàn)實的作法。如圖1所示，多晶硅片生產(chǎn)線包括鑄錠、拉晶、硅磚裁切、倒角、磨邊、拋光、切片、清洗和檢測多道工藝，為了使太陽能電池能夠最終在取決于每瓦成本的能源供應(yīng)市場上具有競爭力，光伏價值鏈中每個生產(chǎn)步驟的總體擁有成本都至關(guān)重要。晶體硅片的生產(chǎn)也不例外：處理一片硅片的總體擁有成本是降低其總體成本的主要動力。3gt-dss650硅片生產(chǎn)工藝和設(shè)備多晶硅鑄錠爐是多晶硅制造的關(guān)鍵設(shè)備之一。位于美國新罕布什爾州莫瑞麥克市的GTSolarInternational公司，是一家全球領(lǐng)先的光伏行業(yè)多晶硅生產(chǎn)技術(shù)、多晶爐系統(tǒng)及相關(guān)光伏制造服務(wù)供應(yīng)商，服務(wù)于太陽能、LED和其他專業(yè)市場。該公司上一個財年的收入約為5.44億美元，其中61%來自中國大陸。GTSolar公司今年年初首次推出商業(yè)化的最新一代多晶硅鑄錠生長系統(tǒng)DSSTM650（圖2所示），這是其面向太陽能光伏行業(yè)領(lǐng)先的多晶硅鑄錠生長系統(tǒng)的最新產(chǎn)品。DSS650可生產(chǎn)質(zhì)量超過625kg的鑄錠。并提供客戶期望的生產(chǎn)效率和可靠性，在保證高質(zhì)量晶體及大批量鑄錠生產(chǎn)的同時，縮短周期，改良流程，使生產(chǎn)效率相對于DSS450提高了44%。新系統(tǒng)延續(xù)了GTSolar以往的成功經(jīng)驗，幫助客戶從他們的設(shè)備中獲得更大價值?？蛻艨梢詫ζ洮F(xiàn)有熔爐的上一代DSS進行升級，以實現(xiàn)與DSS650一樣的高產(chǎn)能與高性能。與先前的款式相比，DSS650可以實現(xiàn)更高的產(chǎn)量，并且可以降低耗材成本。DSS650生產(chǎn)的更大尺寸的鑄錠還可以改善下游切片業(yè)務(wù)。DSS650還融合了其專有的熱區(qū)技術(shù)的新變化，這些變化可以改進鑄錠生長過程中的系統(tǒng)性能和控制，并優(yōu)化在大批量光伏生產(chǎn)環(huán)境中生產(chǎn)更大型鑄錠所需的新工藝配方。如圖3所示，84cm×84cm的晶錠可以分切成25塊156mm×156mm的方柱，顯著降低了硅片的總體擁有成本。GT-DSS650的特點誗底部裝料艙室：令操作更加簡單安全誗標準化夾層模塊可確保安裝方便快捷誗生產(chǎn)高效電池片的材料誗產(chǎn)能：Equivalentto>9MWwith156mmcells@16.5%Efficiency誗硅錠尺寸：84cm×84cm誗硅錠重量：>625kg誗批量鑄錠成品率：≥70%誗鑄錠周期：74h誗>2500臺系統(tǒng)的生產(chǎn)經(jīng)驗，確保無故障的生產(chǎn)通道誗最低設(shè)備占用成本（COO)作為多晶爐技術(shù)領(lǐng)域的企業(yè)，GTSolar在全球范圍內(nèi)已經(jīng)安裝了超過2200套DSS系統(tǒng)，為大批量生產(chǎn)和更低的擁有成本創(chuàng)造了途徑。位于德國Wettenberg的硅晶體生長設(shè)備及高溫真空設(shè)備制造商PVATePlaAG,2011年6月正式推出了其最新研發(fā)并具備更大加料量的第五代多晶硅鑄錠設(shè)備（G5）。該新型產(chǎn)品被命名為MultiCrystallizerVGF732SiHC。MultiCrystallizer是一種采用定向凝固法（基于垂直梯度定向凝固的生產(chǎn)工藝）制備多晶硅錠的設(shè)備，由該設(shè)備生產(chǎn)的硅鑄錠被進一步加工生產(chǎn)后，用于制取光伏產(chǎn)業(yè)所必需的多晶硅片。新型MultiCrystallizerVGF732SiHC設(shè)備（見圖4），通過使用較高G5的坩堝（G5：坩堝高度480～520mm；舊標準：420mm）從而得以實現(xiàn)最大560kg的高裝料量。該型設(shè)備具備獨特的熱場溫控系統(tǒng)，通過熱區(qū)卓越的溫度均勻性，使得鑄錠及外表面都可以實現(xiàn)柱狀凝固，為理想的高鑄錠工藝創(chuàng)造了完美的條件，本機生產(chǎn)的高鑄錠具備與之前由420mm坩堝制備的硅錠相同的晶體質(zhì)量水平。從該硅錠中生產(chǎn)出的硅片電池效率較行業(yè)標準平均高出0.4個百分點，并且硅錠良品率達到了75%（硅錠可用質(zhì)量相對于硅錠總質(zhì)量）。通過較高的裝料量，可在480mm坩堝內(nèi)得到最佳高度250mm的硅塊，該有效高度值意味著硅片切割的最高利用率，并且由此為客戶帶來經(jīng)濟效益的顯著提高。此外鑒于MultiCrystallizerVGF732SiHC設(shè)備的獨立加熱和冷卻方式，該設(shè)備同樣特別適用于準單晶制備工藝。晶體生長工藝中穩(wěn)定的結(jié)晶面可避免故障的發(fā)生，并且有助于獲得最佳的準單晶結(jié)構(gòu)。總部位于德國布勞博伊倫的centrothermphotovoltaicsAG公司是全球光伏技術(shù)和設(shè)備主要供應(yīng)商之一，centrothermSiTec多晶硅錠爐（見圖5）是光伏硅錠和硅片設(shè)施的關(guān)鍵設(shè)備。在熔化多晶硅塊后，通過垂直凝固熔化在石英坩堝中的硅，在爐體內(nèi)生成多晶硅錠。該工藝由加熱、熔化、增長、退火和冷卻階段構(gòu)成。工藝溫度最高至1600℃，工藝壓力為2～60×103Pa。爐體由基座支承的不銹鋼真空室內(nèi)的石墨熱區(qū)組成，熱區(qū)內(nèi)含有3個獨立的熱組件：側(cè)邊電阻加熱器、底部電阻加熱器和底部冷卻單元。熱區(qū)采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，非常適用于第五代硅錠和450kg底料。系統(tǒng)集水冷、氬氣沖洗、真空泵、供電、溫度監(jiān)控和全自動工藝控制系統(tǒng)于一身。為裝載和卸載裝料坩堝，基座安裝了帶有集成工具的電子機械式打開和關(guān)閉裝置。在多晶硅鑄錠爐內(nèi)，多晶硅塊最初在1450℃以上的石英坩堝爐中融化。融化后通過定向凝固將硅料轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗑Ч韫桢V。多晶硅硅錠經(jīng)過切割變?yōu)榫Тu和硅片之后，便可用于制作太陽能電池片和組件。centrothermphotovoltaicsAG公司2011年7月為拓寬太陽能產(chǎn)業(yè)鏈而推出的用于集成一體化工廠的又一關(guān)鍵設(shè)備-用金剛石線切割技術(shù)開發(fā)的新一代晶錠開方設(shè)備和晶錠去頭尾設(shè)備（見圖6），該晶錠開方設(shè)備具有年加工4400晶錠的生產(chǎn)能力，相當(dāng)于年加工110000晶柱的生產(chǎn)能力。具有高產(chǎn)率、高產(chǎn)品質(zhì)量、降低運營成本的優(yōu)勢。4硅片的切割應(yīng)用材料公司的精確硅片切割系統(tǒng)能完成一系列的工作，包括切方、切頭和切割超薄的硅片。該系統(tǒng)能夠提高硅材料的利用率、以更快的速度把硅材料切割成厚度約等于一根頭發(fā)的超薄硅片，從而大大降低硅材料的消耗量。4.1hct切方機主要特點應(yīng)用材料公司HCTDiamond切方系統(tǒng)擁有附著研磨劑鉆石切割線技術(shù)，最多能夠降低硅錠切方成本達30%。這個新系統(tǒng)的切割速度是傳統(tǒng)PWS切方系統(tǒng)的2.8倍，同樣的占地面積和產(chǎn)能情況下實現(xiàn)的產(chǎn)量是原來的2.5倍。同時，運營維護和維修成本減半，每個硅塊的處理能耗減少50%，從而降低了30%的擁有成本。切割工藝中由于避免了使用研磨漿料，生產(chǎn)環(huán)境變得更加整潔，操作更加簡單，無需碳化硅/聚乙二醇的管理和處置。HCT切方機能夠切方單晶硅錠和多晶硅錠，生產(chǎn)率最高達到每年80MW并且鋸縫損失更低（0.30～0.35μm切割線）。該系統(tǒng)可升級為使用鉆石切割線和厚結(jié)構(gòu)化切割線。圖7為HCT切方系統(tǒng)，它將多晶硅鑄錠切割成長方體硅塊，或者把單晶硅錠切割成類似長方體的硅塊。切割表面具有卓越的質(zhì)量，無需額外的研磨拋光。該系統(tǒng)具有杰出的負荷能力，能夠處理一整塊多晶硅鑄錠或者16～25個單晶硅錠，這是實現(xiàn)其運行經(jīng)濟性的關(guān)鍵。4.2hct切頭系統(tǒng)AppliedHCT裁切機可在高載荷容量下切割晶體硅錠的頂部和底部。它可提供與AppliedHCT切方機相同的低鋸縫損失、高生產(chǎn)量和高可靠性。圖8是HCT切頭系統(tǒng)，用于去除單晶硅錠和多晶硅錠的頭尾。每個HCT切頭系統(tǒng)都具有高荷載的9個切割點，每個能處理的荷載長度達到2000mm。4.3多線切割切割系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)用材料公司的線鋸系統(tǒng)能夠?qū)尉Ч韬投嗑Ч璨牧锨懈畛沙〉墓杵?，同時降低截口損失。硅片切割工藝始于由單晶硅或多晶硅材料制成的實心硅錠。線鋸將硅錠裁成方塊，然后再切割成很薄的硅片。這些晶體硅片就被用作制造光伏電池的襯底。如今的線鋸切割大多數(shù)是通過多線切割技術(shù)（MWS）實現(xiàn)的。目前原材料費用占晶體硅太陽能電池總體成本相當(dāng)大的一部分，因此線鋸技術(shù)對于降低每瓦成本并讓太陽能光伏價格與傳統(tǒng)電力能源持平來說至關(guān)重要。AppliedHCTB5硅片切割系統(tǒng)（圖9所示）可將單晶硅塊和多晶硅塊切割為超薄硅片。該系統(tǒng)可提供業(yè)內(nèi)較佳的加工成品率以及業(yè)內(nèi)較高的生產(chǎn)率，是先進的切割線技術(shù)經(jīng)過驗證的平臺。超細切割線直徑是減少鋸縫損失的關(guān)鍵。經(jīng)過驗證的B5系統(tǒng)利用AppliedHCT的系統(tǒng)工程方法，使用超細切割線技術(shù)，以實現(xiàn)最優(yōu)性能為其設(shè)計宗旨，提供高成品率和業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的生產(chǎn)率。已有500多個系統(tǒng)應(yīng)用超細切割線技術(shù)并投入生產(chǎn)，B5是無可爭議的領(lǐng)先者，將超細切割線技術(shù)應(yīng)用到大規(guī)模硅片生產(chǎn)領(lǐng)域。線鋸的核心部分是纏繞在導(dǎo)輪上、直徑為110～140μm的單根切割鋼線。這種導(dǎo)輪開槽精細且槽距均勻，形成平行切割線的水平網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)或網(wǎng)（見圖10）。強大的驅(qū)動力使整張網(wǎng)在相對高速（每秒10～20m）下運行。漿料，一種由耐磨粒子加冷卻液制成的懸浮液，通過噴嘴輸送到運動中的切割線上。切割線將漿料傳送到切割區(qū)。將要切割的硅錠被固定在切割臺上并且與切割頭逆向垂直運動。這一動作將硅錠推過切割線網(wǎng)，同時產(chǎn)生大量的硅塊或硅片。在使用漿料的多線鋸切割系統(tǒng)中，切割運動基本上是一種快速的三體磨損過程，其特點在于使用了一種基于滾動及壓入的切割機制。多線切割系統(tǒng)在進行硅片切割時的總體擁有成本取決于4個關(guān)鍵因素（按照重要性遞減順序）：多晶硅的市場價格、硅片成品率、切割耗材的成本以及生產(chǎn)率。提高成品率可以在降低硅片切割成本方面帶來極大的改進，而對于原材料成本來說，能做的事情并不多或者根本沒有辦法。硅片成品率，即每單位原材料所制成硅片的可用面積，受兩大因素的影響：切割過程中原材料的損耗（“鋸末”或鋸縫損失）以及切割過程中產(chǎn)生的未達標硅片。硅原料的利用率可通過減少鋸縫損失或在保證切割質(zhì)量的同時降低硅片厚度來加以提高。硅片的厚度由導(dǎo)輪的槽距決定，而鋸縫損失取決于鋼線直徑與磨料顆粒的大小。在過去10年中，光伏硅片的厚度已經(jīng)從330μm減少到如今常見的180μm，而且未來這一趨勢還會繼續(xù)。線鋸切割系統(tǒng)的切割線直徑最初在180～160μm之間，如今已經(jīng)縮小到常見的130～100μm之間。硅片切割工藝的目標在于提高產(chǎn)量同時保證一流的成品率。產(chǎn)量即指定時間內(nèi)所生產(chǎn)出的硅片數(shù)量，主要取決于以下幾個因素：(1)切割臺速度(或進料速度)：指固定待切割硅錠的切割臺通過運動中切割線網(wǎng)的速度。硅錠通過切割線網(wǎng)開始接受切割時，切割線和硅原料之間的壓力