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(yōu)點，是解決人類能源危機及環(huán)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(nèi)，晶硅電池憑借其在轉(zhuǎn)換效率、工藝成熟性及使用壽命等核心指標上的優(yōu)勢仍將占據(jù)市場主流。目前，晶體硅太陽能電池發(fā)電的根本問題是相對于傳統(tǒng)的發(fā)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(shù)量和時間的限制，光伏產(chǎn)業(yè)長遠生存的關鍵是在有限的時間內(nèi)降低成本，做到只靠市場需求，擺脫政府補貼，使光伏發(fā)電能夠與傳統(tǒng)火電平價競爭[2，3]。

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

本文對晶體硅太陽能電池生產(chǎn)線的技術現(xiàn)狀進行綜述，并結(jié)合晶體硅電池技術的未來發(fā)展方向，分析了晶體硅太陽能電池生產(chǎn)線技術的發(fā)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(chǎn)線，簡要介紹了其結(jié)構(gòu)組成，特點及實現(xiàn)。

圖1 晶體硅太陽能電池生產(chǎn)線工藝流程

1 技術現(xiàn)狀分析

1.1 我國晶體硅太陽能生產(chǎn)線技術現(xiàn)狀

晶體硅太陽能電池產(chǎn)業(yè)鏈包括材料提純、電池制造、組件制造等環(huán)節(jié)，其中的電池制造又分為硅片切割、清洗制絨、擴散制結(jié)、刻蝕、減反射膜制備、表面電極印刷、高溫燒結(jié)、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(chǎn)線上分別由切片機、清洗機、擴散爐、PECVD、刻蝕機、絲網(wǎng)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(tǒng)構(gòu)成了晶體硅電池生產(chǎn)線。

設備是生產(chǎn)線建設的基礎，占晶硅電池生產(chǎn)線建設總投資的近70%，隨著國家對新型可再生能源發(fā)展的重視，國產(chǎn)光伏裝備制造業(yè)隨著光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)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(chǎn)業(yè)的大前提下，高性價比成了國產(chǎn)光伏設備與國外產(chǎn)品競爭的核心優(yōu)勢，國內(nèi)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(chuàng)等充分利用了這一優(yōu)勢，經(jīng)過數(shù)年發(fā)展，逐步打破了進口光伏設備的壟斷。目前，國產(chǎn)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(jù)了國內(nèi)大部分市場，自動分選設備、快速燒結(jié)爐與國際先進水平有差距，但正在縮小，已開始在大生產(chǎn)線使用，且市場份額正逐步擴大，只有全自動絲網(wǎng)印刷設備和平板式PECVD 尚未取得實質(zhì)性突破，整體技術水平和國外差距較大。目前，國內(nèi)主流建線方案采用國產(chǎn)設備與進口設備混搭的方式，國產(chǎn)設備在數(shù)量上已占多數(shù)。根據(jù)中國電子專用設備工業(yè)協(xié)會統(tǒng)計的數(shù)據(jù)，隨著國產(chǎn)設備的質(zhì)量和性價比不斷提高，光伏企業(yè)對國產(chǎn)設備的認知度越來越高。國產(chǎn)設備的大量使用使得企業(yè)投資成本大大降低，成為中國太陽能光伏產(chǎn)業(yè)在短短的數(shù)年間獲得飛速發(fā)展，具備國際競爭能力的利器。

目前，我國光伏設備企業(yè)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(nèi)實力廠商還可提供一整套完善的晶硅太陽能電池生產(chǎn)線“交鑰匙”系統(tǒng)方案，這不僅意味著國內(nèi)光伏企業(yè)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(chǎn)時間，避免走彎路，從而大大節(jié)約生產(chǎn)線建設的總體投資成本、運行成本和產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)線技術水平有待進一步提升，主要體現(xiàn)在：

（1）核心裝備技術水平。目前，國產(chǎn)光伏裝備在整體技術水平特別是尖端技術水平、設備的穩(wěn)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(yè)的光伏電池生產(chǎn)線已經(jīng)部分采用自動插片機、取片、上料機構(gòu)以及設備間的自動轉(zhuǎn)送裝置，但整體水平仍處于半自動化狀態(tài)，人工干預較多，碎片率高，片源污染嚴重，且產(chǎn)品一致性和質(zhì)量穩(wěn)定性差。反觀國外先進的生產(chǎn)線實現(xiàn)了全自動化，整線只需要7～8 人，具有很高的生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量和很強的競爭成本優(yōu)勢；

（3）監(jiān)控與決策。國內(nèi)企業(yè)多采用粗放型生產(chǎn)、缺乏生產(chǎn)線的全局監(jiān)控與信息的智能處理，管理與生產(chǎn)脫節(jié)，生產(chǎn)運營成本居高不下[9]。

2 技術發(fā)展趨勢

目前，晶硅電池技術正朝大面積、薄型化發(fā)展，電池片尺寸由目前主流的125 mm×125 mm和156 mm×156 mm 發(fā)展到210 mm×210 mm，硅片厚度也由目前主流的200 μm 和180 μm 發(fā)展到150 μm 及以下，以節(jié)省硅材料降低成本。此外，電池的光電轉(zhuǎn)換效率、成品率要求也越來越高，這對晶體硅電池生產(chǎn)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(fā)展，未來的晶體硅電池生產(chǎn)線將具有以下技術特征：

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

如在鑄錠環(huán)節(jié)中，采用高效鑄錠技術，改進鑄錠爐熱場設計、優(yōu)化晶體生長工藝以提升材料性能，使電池的轉(zhuǎn)換效率得到提高。在擴散制結(jié)環(huán)節(jié)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(huán)節(jié)，采用非接觸式的激光技術（激光刻槽埋柵、激光轉(zhuǎn)印技術等）、噴墨打印技術取代傳統(tǒng)的絲網(wǎng)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(fā)展，與傳統(tǒng)晶硅電池生產(chǎn)線有較好兼容性的PERC、N型、HIT 等高效電池將得到大批量產(chǎn)，并在今后較長一段時間內(nèi)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(chǎn)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(fā)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(fā)提供有力的技術支持。

（2）高產(chǎn)能與高效自動化?，F(xiàn)代的晶體硅電池生產(chǎn)線更注重高產(chǎn)能與高效自動化，一方面，生產(chǎn)線上單臺設備的裝片量和產(chǎn)能越來越高，以通過規(guī)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(zhì)量由目前主流的800 kg 和1 000 kg 發(fā)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(fā)展到以后的800 片和1 000 片及以上，以提高生產(chǎn)效率，降低單位能耗，進而降低硅片生產(chǎn)成本。另一方面，生產(chǎn)過程大量采用高效自動化技術，生產(chǎn)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(guī)模應用將帶來以下效果：

①1 提高產(chǎn)能。自動化技術使太陽能電池的生產(chǎn)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(chǎn)率），生產(chǎn)線效率和產(chǎn)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(fā)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(chǎn)，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(chǎn)線的可靠性、產(chǎn)品的一致性、質(zhì)量穩(wěn)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(jiān)控與決策智能化。未來的晶體硅太陽能電池生產(chǎn)線將通過計算機技術、總線控制通訊技術、智能數(shù)據(jù)分析處理技術實現(xiàn)監(jiān)控與決策的智能化，主要體現(xiàn)在以下方面：

①1 總線式智能監(jiān)控。采用現(xiàn)場總線技術，實現(xiàn)工廠現(xiàn)場級、控制級、管理級的數(shù)據(jù)互聯(lián)，促進現(xiàn)場信息、監(jiān)控信息、管理信息和市場信息的融合、交流與互動，實現(xiàn)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)?？偩€式智能監(jiān)控系統(tǒng)很好地實現(xiàn)了生產(chǎn)線的優(yōu)化運行和最佳調(diào)度，避免了生產(chǎn)與管理的脫節(jié)，并且在更大的范圍內(nèi)支持企業(yè)的正確決策，給企業(yè)創(chuàng)造更多的經(jīng)濟效益，使光伏生產(chǎn)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(yī)療、航空航天等領域深入發(fā)展到光伏裝備的狀態(tài)檢測中，并且已成功應用于絲網(wǎng)印刷工作臺的精確定位等方面，隨著光伏生產(chǎn)線監(jiān)控技術的發(fā)展，越來越多的先進傳感技術將會在光伏生產(chǎn)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(chǎn)線狀態(tài)監(jiān)測的發(fā)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(xiàn)場設備及生產(chǎn)線的多類信息進行監(jiān)測，并通過計算機將多類信息加以智能集成，產(chǎn)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(xiàn)代智能決策方法的融合。現(xiàn)代智能方法包括人工智能、專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡、灰色系統(tǒng)理論、支持向量基、進化計算等，隨著光伏生產(chǎn)線向智能化方向發(fā)展，通過現(xiàn)代智能方法實現(xiàn)智能監(jiān)控和智能決策是光伏生產(chǎn)線的未來發(fā)展方向[9，10]。

3 智慧生產(chǎn)線的提出

根據(jù)現(xiàn)代晶體硅太陽能電池生產(chǎn)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(chǎn)線。

3.1 系統(tǒng)組成

晶體硅太陽能電池智慧生產(chǎn)線的系統(tǒng)框架如圖2 所示，整個系統(tǒng)由現(xiàn)場級、控制級和決策級三級組成，現(xiàn)場級由生產(chǎn)線各工藝環(huán)節(jié)的生產(chǎn)設備、物料自動輸送設備、相關的各類傳感器等組成，現(xiàn)場級的各類傳感器對生產(chǎn)設備和物料自動輸送設備的實時狀態(tài)進行數(shù)據(jù)采集，通過傳感器智能接口、工業(yè)現(xiàn)場總線，實時檢測信息輸送至控制級。控制級由各生產(chǎn)設備、物料自動輸送設備的分散控制系統(tǒng)及HMI 人機交互系統(tǒng)組成，分散控制系統(tǒng)接收現(xiàn)場級的狀態(tài)信息，并根據(jù)程序指令向現(xiàn)場級發(fā)出控制信號，實現(xiàn)生產(chǎn)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(tǒng)與分散控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)互聯(lián)，實現(xiàn)生產(chǎn)設備、物料自動輸送設備的實時狀態(tài)監(jiān)測、工藝選擇、數(shù)據(jù)記錄、故障報警等功能。管理級計算機通過工業(yè)以太網(wǎng)與控制級相聯(lián)，可對實時查看整個晶體硅太陽能電池生產(chǎn)線各工藝環(huán)節(jié)生產(chǎn)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(tǒng)，通過對生產(chǎn)線實時狀態(tài)信號、物料信息、歷史數(shù)據(jù)信息、市場需求信息進行數(shù)據(jù)融合，實現(xiàn)生產(chǎn)線的維修維護決策、生產(chǎn)執(zhí)行決策等功能。

3.2 特點及實現(xiàn)

晶體硅太陽能電池智慧生產(chǎn)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(chǎn)線在電池制造環(huán)節(jié)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(zhuǎn)換效率比常規(guī)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(chǎn)線采用全自動上下料系統(tǒng)、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(chǎn)線由傳統(tǒng)的單臺設備自動化升級為車間整體自動化，最終實現(xiàn)了整線設備及其連接系統(tǒng)的綜合自動化。

（3）智能化管理。晶體硅太陽能電池智慧生產(chǎn)線通過工業(yè)現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網(wǎng)將生產(chǎn)線的現(xiàn)場級、控制級和管理級進行無縫鏈接，實現(xiàn)生產(chǎn)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(tǒng)，可實現(xiàn)生產(chǎn)線的狀態(tài)實時監(jiān)測、維修維護決策、生產(chǎn)管理決策等功能。

圖2 智慧生產(chǎn)線總體框架

4 結(jié) 論

晶體硅電池生產(chǎn)線是晶體硅太陽能電池生產(chǎn)的基礎和支撐，其技術水平直接影響太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率和生產(chǎn)成本。隨著我國光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，國產(chǎn)光伏設備及生產(chǎn)線建設發(fā)展不斷前行，我國光伏設備企業(yè)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(chǎn)業(yè)在短短的數(shù)年間獲得飛速發(fā)展，具備國際競爭能力的利器。然而，我國光伏設備及生產(chǎn)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(chǎn)業(yè)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(chǎn)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(chǎn)，管理與生產(chǎn)脫節(jié)等問題。目前，晶體硅電池生產(chǎn)線技術正朝著創(chuàng)新工藝及設備相結(jié)合、過程高效自動化、監(jiān)控與決策智能化方向發(fā)展，當務之急是通過技術創(chuàng)新提高生產(chǎn)線的技術水平，以提升效率、降低成本。

智慧生產(chǎn)線將先進工藝物化于設備，使電池轉(zhuǎn)換效率比常規(guī)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(xiàn)了整線的綜合自動化。采用工業(yè)現(xiàn)場總線技術將生產(chǎn)線的現(xiàn)場級、控制級和管理級進行無縫鏈接，實現(xiàn)生產(chǎn)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(chǎn)線還可通過專家系統(tǒng)，實現(xiàn)生產(chǎn)線的狀態(tài)實時監(jiān)測、維修維護決策、生產(chǎn)管理決策等功能，符合未來晶硅電池生產(chǎn)線技術的發(fā)展趨勢。實現(xiàn)智慧生產(chǎn)線的國產(chǎn)化，可大幅度地提升晶硅電池生產(chǎn)線的技術水平，提高電池的轉(zhuǎn)換效率、降低生產(chǎn)成本，使光伏發(fā)電能夠與傳統(tǒng)火電平價競爭，實現(xiàn)平價上網(wǎng)，從根本上解決光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸具有重要意義。

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