中國晶體硅電池制造設備現狀

時間:2010-03-22 21:09 中國太陽能網 點擊:次 我要評論（）

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前言：有數據顯示，2008年全球所有光伏電池和模組制造設備銷售額達44億美元。而據中國電子專用設備工業協會統計的數據，2008年全年中國太陽能光伏設備銷售收入將達到25億元。目前，我國光伏設備企業從硅材料生產、硅片加工、太陽能電池片、組件的生產以及相應的純水制備、環保處理、凈化工程的建設、以及與產業鏈相應的檢測設備、模擬器等，已經具備成套供應能力，部分產品如擴散爐、等離子刻蝕機、單晶爐、多晶鑄錠爐、層壓機、檢測設備等開始出口。值得一提的是，硅材料加工設備中單晶爐以優良的性價比占據了國內市場的絕對統治地位并批量出口亞洲，多線切割機已取得突破，多晶硅鑄錠爐已經開始大量在國內企業中使用。繼《光伏信息》報2009年第49期（4月刊）《金融危機下中國多晶硅項目大盤點》專題后，本刊又推出此次《中國晶體硅電池制造設備現狀調查》專題，數據難免有些出入，肯切期望中國光伏設備企業批評指正。（由于時間原因，部分企業未能錄入，敬請原諒）

    據中電四十八所提供數據顯示，在10太陽能電池制造生產線設備中，國產設備已能提供其中的8種，其中有6種(擴散爐、等離子刻蝕機、清洗/制絨機、去磷硅玻璃（PSG）設備、低溫烘干爐)已在國內生產線上占據主導地位，2種(管式PECVD、快速燒結爐)與進口設備并存但份額正逐步增大。但是，全自動絲網印刷機、自動分揀機、平板式PECVD仍然依賴進口。目前國內太陽電池注流建線方案為國產和進口設備混搭，基本以國產為主。設備投資方面，一條25MW的標準生產線需3400—6000萬元。我國太陽能電池制造設備目前的技術水平如下：首先，在濕法腐蝕、清洗設備、擴散方面，主要是自動制絨設備、自動清洗設備、全封閉擴散爐、刻蝕機、去PSG設備等國內已經能夠制造，已經達到世界先進水平，且性價比優勢十分明顯；第二，國產PECVD（管式）的工藝結果已接近世界先進水平，這是這種設備的優勢。但它的自動化程度(自動裝卸片 )不如進口設備(進口設備如德國Centrotherm公司產品，售價是國產設備的三倍左右)，平板型PECVD目前國內已有企業生產，有待進一步驗證； 第三，國產絲網印刷機(只有手動)，與進口自動化產品的差距也是在自動裝卸片(機械手)和自動檢測手段上，全自動絲網印刷機已有企業生產，工藝有待進一步驗證；第四，高溫燒結爐技術提高，開始批量在大線上使用；第五，自動檢測分揀設備目前國內已達到國際中等水平。

    然而，盡管國產太陽能光伏設備在國內用戶中已建立起良好的信譽，得到業界的廣泛認可，越來越多的客戶從價格適中、性能良好、技術不斷進步的國產設備中受益。但我們也應該看到，國內半導體設備廠商在整體技術水平尤其是尖端技術水平上和國外廠商尚有差距。業內專家指出，國產太陽能光伏設備的競爭力不完全在于設備的性能指標，而在于設備的性能價格比。成本是太陽能光伏產業的終極目標，業內有句話，光伏設備沒有最好的，只有最合適的。據了解，建設一條太陽能電池生產線，70%以上的投資是用來購買設備，而國產設備的價格平均只有國外產品的1/3—1/2，采用國產設備輔以少量進口設備，可以將建線成本降低一半以上。

    本文將從晶體硅太陽電池生產工藝流程（圖一）中所涉及到的影響太陽能電池光電轉換效率的清洗制絨設備、擴散設備、刻蝕設備、去磷硅玻璃設備(去PSG)、鍍減反射膜（PECVD）設備、印刷電極設備、烘干燒結設備、測試分選設備等典型企業進行闡述。

 

圖一  晶體硅太陽電池生產工藝流程
 

清洗/制絨設備：單晶硅電池槽式基本國產，多晶硅電池連續式進口居多

    當前環境下，國內清洗設備企業正直面生存和發展的問題。調查中發現，面對這場全球性的危機，電池清洗設備企業在擔憂的同時，應對未來發展持謹慎樂觀態度。擔憂的是這場風險對那些發展不好、實力不強的企業影響很大，樂觀的是清洗機行業仍然是全球和我國持續發展的新材料產業。過去幾年來，清洗機國內產量快速增長和外貿出口量不斷加大，產業不斷擴張，這造成了當前大量清洗機開始“倒向”國內市場。國內清洗機行業因國內外市場的需求萎縮，企業出現限產和停產的狀況。但是，與此相反的是，北京七星華創自2003年進入光伏設備領域以來，為尚德電力、南京中電、林洋新能源、晶澳太陽能、天威英利、浚鑫科技、天合光能、阿特斯、上海交大泰陽、云南天達、中輕太陽能等多家太陽能電池生產企業制造了近3000MW的太陽能電池酸洗制絨設備。

    在調查中了解到，在太陽能電池企業，目前在清洗制絨方式上采用的設備方式一般有三種：一種是效率不高但很實用的手動操作清洗設備；第二種是分體式全自動清洗，即清洗、制絨工序各用相關設備；第三種是目前較流行的一體式清洗機，從研磨片到電池片一步到位。以上三種方式各有利弊：手動操作盡管慢，但對于產量不大，人力成本低的廠家來說是很好的選擇；分體式清洗機對硅片參數要求不高，效率也比較高，較容易找出電池片出問題的所在；一體式清洗機效率高，自動化程度高，但對硅片尺寸要求嚴格，維護起來也不太方便。

    制絨工藝比較復雜，不同公司有各自獨特的制絨方法。基本的工藝流程為：上料→HF+HNO3腐蝕→QDR+氮氣鼓泡+噴淋→KOH腐蝕→QDR+氮氣鼓泡+噴淋→HCl腐蝕→QDR+氮氣鼓泡+噴淋→下料→離心機甩干(離線)。使用到的化學添加劑有兩種，一種是IPA(異丙醇)，另一種是工業酒精。目前國內的清洗制絨設備以達到了國際先進水平，體現在以下方面：全程PLC控制，觸摸屏操作；采用新型勻液及風道設計技術，降低清洗成本，減少污物的排放；新的密封隔離技術的使用，杜絕了生產過程中的微漏，保護整體電氣系統的安全；槽體配置可實現腐蝕后殘留在片子上的化學液及污染顆粒的沖洗祛除功能；大多采用機械手方式移動，工藝時間可以自行調節；酸堿槽具有自動補液裝置，可實現無間斷生產；整個清洗、制絨過程中使用環保的清洗制絨液，降低了后續處理成本；最重要的是融合熱氮烘干功能，取代甩干機，大大降低了碎片率。以上技術在調查中，基本以槽式機為主，在濕法制絨（連續式）及等離子（干法）制絨機方面國內正在研發，試驗工藝已取得一定進展。

    國內清洗制絨設備生產企業有以下三種狀態：一是從國有企業轉型的老牌電子或半導體設備制造企業，代表企業有：中電四十八所（能提供完整的電池生產線）、西北電子裝備技術研究所（中電二所）、中電四十五所、保定天威新能源等；二是新近崛起的典型電子或半導體企業，代表企業有：北京七星華創、深圳捷佳創、北京華林嘉業、北京中聯科利、蘇州華林科納、青島賽瑞達等；三是水處理或超聲波設備公司轉型，代表企業有：深圳市恒通源、深圳市和科達、張家港聲達超聲設備、深圳市超純水、深圳市純水一號、張家港德科超聲、上海睿鵬清洗設備等。

擴散爐：經歷了開管——閉管——全封閉擴散三個階段，絕大部分電池企業采用國產裝備

    上個世紀60年代由于國產光伏電池裝備技術落后，無法滿足電池工藝生產，一些電池廠家先后從國外引進了鏈式擴散設備。1965年以前，這是我國擴散爐出現階段，擴散爐隨著半導體工藝的產生而出現，這一階段的國產擴散爐水平與國外水平差距不大。進入80年代我國電子工業專用裝備取得長足進展，電池生產用擴散設備回到管式擴散。2001年，中國電子科技集團48所與無錫尚德公司的攜手合作拉開了我國太陽電池生產用擴散設備技術與配套工藝飛速發展的序幕。短短的幾年時間里，我國光伏專用擴散設備經歷了從處理125mm×125mm、156mm×156mm方硅片向210mm×210mm方硅片躍進；擴散的質量從原來的單片和整管擴散均勻性在7％以內的水平，提高到目前單片和整管擴散均勻性在4％以內的國際先進水平；擴散方式從原來的開管擴散到現在的環保、潔凈、節能、安全的全封閉擴散；單批次產能從原來的150片、200片、300片發展到日前的400片；控制方式從原來的手動、PLC半自動控制到日前的微機全自動控制。目前我國光伏電池裝備市場上共有各類擴散設備上千多管，其中85％左右以處理125mm×125mm電池片為主，兼容156mm×156mm電池片，這其中又有90％以上為微機自動控制設備，只有不到10％為手動或PLC半自動產品。

    技術特點在整機設備向全自動化、高生產效率、低成本擴散、操作人性化發展的同時，其核心單元技術如溫度控制將不可避免地采用更精細的控制方式(內外熱偶串級控制技術等)。通過對加熱部件和負載同時監控，確保實際工藝溫度長期重復、穩定可靠；工藝氣體流量控制將從目前的模擬向數字MFC(質量流量控制器)發展，以實現更穩定的工藝氣體流量控制。今后幾年內，整機將向減壓擴散、立式擴散、鏈式擴散等方向發展，以適應12＂及更大尺寸硅片的工藝要求，其單批次處理能力將達到更高的600～800片／批次。

國產三代擴散爐技術比較

序號
 開管擴散
 閉管擴散
 全封閉清潔擴散
 效果
 
1
 反應管尾部進氣、頭部排氣，載片量300片/管。
 反應管尾部進氣，頭部排氣，尾氣定向收集，400片/管。
 反應管尾部進氣、尾部排氣，尾氣定向收集，400片/管。
 廢氣排放量減少90%以上，生產量提高30%以上。
 
2
 懸臂推舟送片，和反應管平板靠接
 懸臂推舟送片，

圓錐立體靠封
 軟著陸送片，自動門完全封閉
 減少源消耗4/5，減少偏磷酸排放，綜合擴散成本降低15%以上。
 
3
 送片槳始終在

反應管中
 送片槳始終在反應管中
 送片機構裝片后

推出
 送片機構基本上不用清洗，石英管清洗延長到2次/年
 
4
 多層源柜同一

抽氣管道
 分層獨立抽氣
 分層獨立抽氣，

抽風量獨立可調
 杜絕微泄引起的

慢性腐蝕
 
5
 加熱爐端口硬質材料密封
 石英領密封
 新型爐體結構，

石英領密封
 爐體變形更小，

更節能
 

（上表信息提供：中電四十八所）

國內重點擴散爐生產企業概況（排名不分先后）：

1、中電四十八所：中電四十八所事業二部承擔著擴散爐等其他太陽能光伏設備的生產，2008年，成功研制出了新型閉管擴散爐——全封閉推舟軟著陸擴散爐，2008年銷售數百臺之多，截至目前市場占有率在80%左右。包括其他光伏設備在內，2008年銷售收入達10.15億元，新簽單5億多元。另外，2008年相繼為江西佳輝、神州光電等單位數十條生產線提供了除絲印機之外的整線裝備。今年一季度，中電四十八所銷售額達到收入4.1875億元，比去年同期增長70%以上，真正實現了在金融危機影響下彎道不減速。四十八所新型擴散爐，單管產能高達400片，在產能提高33%的同時，能源消耗降低50%以上，廢氣排放降低到原來開管擴散的1/10，能耗降低20%左右，平均單位擴散成本降低20%以上。成功突破了爐門自動密封、尾進尾出送氣、廢氣自動收集、三維送片機構調整等多項關鍵技術。達到國際先進水平的大生產用新型太陽能電池生產專用擴散設備，價格卻只有進口同類設備的1/3。

2、北京七星華創: 北京七星華創電子股份有限公司（簡稱“七星電子”）傳承五十多年電子裝備及元器件的生產制造經驗，于2001年9月成立。七星華創于2007年研制出新型擴散爐，具有四套獨立的工藝爐管，關鍵件全部采用進口件，采用進口智能控制器，可輸出四個開關量，對爐溫、閥門動作進行自動控制，并管理全部工藝時序，可編輯存貯十條工藝曲線實現為實現閉管擴散工藝，所以必須進行爐口密封，在這方面，七星華創經過無數次的試驗，包括數次失敗的考驗，最終解決了這個棘手的難題：即在沒有任何水冷條件下，在工藝溫度高達900 ℃時，采用普通氟橡膠密封圈能夠使工藝管密封，并能夠長期工作。

3、深圳捷佳創：深圳市捷佳創精密設備有限公司自成立以來，在中國清洗、噴涂等非標機械設備制造領域以高科技、高品質的產品樹立了良好的市場形象，同時捷佳創大力拓展與國內各研究所的合作，積極吸收國際先進技術，成為具有國際水準的專業精密設備設計制造公司。捷佳創擴散爐的軟著陸裝置，結合了國際高端設備商應用的優勢，運行穩定可靠，SiC槳實現免清洗。另外，自主研發的國內唯一的串級溫度控制方法，實現5段自動適時恒溫區，確保工藝片分分秒秒處于真正的恒溫區，同時爐管內工藝反應區域爐溫能自動快速響應與恢復，最大限度地保障工藝片需要的準確溫度，可有效地提高工藝片的均勻性。2008年，捷佳創光伏設備銷售額達到2億多元，暫沒有產品出口計劃。

4、株洲眾欣科技：株洲眾欣科技專注于磁流體領域，公司創辦人羅喜梅女士是國內第一個把磁流體技術進行產業化生產并運用到真空領域的研發型企業家。2007年，眾欣科技通過和國內的大專院校的多名專家學者細致交流，然后進行了大量的市場實際調查，眾欣科技認為擴散在電池片當中，起到決定性的作用。從提高轉換率以及降低生產成本出發，在現有市場上使用的擴散爐技術方面進行了革新，成功研發出新型“氣旋動態”擴散爐，截至目前已成功銷售3臺臥式“氣旋”擴散爐。對于“動態”擴散的定義，眾欣科技是這樣解釋的，這是一個相對的概念，主要是針對硅片而言，現在市場上的硅片在擴散的過程當中都是靜止不動的，而眾欣的動態擴散，就是硅片在整個擴散過程中是一個運動的狀態。由于硅片主動地尋找擴散，而不是象原來的被動擴散，所以這個動態擴散的均勻性在遠離上面確實可行，該擴散爐最大的特點體現在擴散的效果上：保持方塊電阻片內均勻性在3歐姆之內，源的使用量減少使用量三分之一。今年七月，眾欣科技將為湘潭一企業提供六管動態擴散爐，即25MW生產線。同時，根據市場的需要，眾欣科技也可以提供動態擴散改造服務，為電池片生產廠家節約大量的生產成本和運行費用。

5、青島賽瑞達：青島賽瑞達設備制造有限公司由北京昊海立德科技有限公司注資的高新技術企業，是集開發、生產、銷售為一體的專業廠家。具有自主研制、設計和開發半導體專用工藝設備、包裝機械、智能化儀表等產品的能力，同時可根據用戶的不同需求進行設計和開發，并且具備改造、裝備國外二手設備的能力。該公司擴散爐為閉管磷擴散，帶有工藝廢氣冷卻定向回收裝置，偏磷酸、CL2分開收集處理，工藝廢氣集中收集從尾部定向排出，各種工藝氣體可分開送入石英管內，工藝氣體(三氯氧磷)可采用噴淋式方式引入到石英管內，采用懸臂式推拉舟送取電池片，另采用側面布局的懸臂推拉結構，可有效的防止偏磷酸下滴，造成推拉機構受腐蝕，影響推拉機構的精確性。

手記：光伏設備企業要想發展好，還必須和產業鏈的各個環節進行緊密結合。從半導體設備行業發展的經驗看，光伏行業只有設備沒有工藝，很少有設備能進入大生產線。因此，發展光伏產業要總結這些經驗教訓，光伏設備廠商應通過與國內一流光伏企業結成戰略同盟，將先進工藝物化于設備，提供技術先進、質量穩定、滿足工藝需要的優質設備，徹底打破以往設備和工藝脫節的發展模式，直接同步工藝技術的發展。值得欣慰的是，目前國內太陽能光伏設備行業的發展出現了可喜的變化，部分企業在提供設備的同時已能提供相應的基本工藝，只要購買了他們的設備，生產出合格產品是沒有問題的。此外，創新也是國內光伏設備企業急需跨過的門檻。唯有創新才有發展，設備企業應該加大研發投入，利用中國這個世界最大的光伏設備市場，結合自身的特點，積極擴展產品門類，在國外占壟斷地位的設備產品上有所突破。非常歡迎相關企業與筆者聯系，電話0471-3380137，QQ：24089306.
 
 
等離子刻蝕機——干法腐蝕設備全部國產為主，少量濕法腐蝕設備需要進口

    由于在擴散過程中，即使采用背靠背擴散，硅片的所有表面包括邊緣都將不可避免地擴散上磷。PN結的正面所收集到的光生電子會沿著邊緣擴散有磷的區域流到PN結的背面，而造成短路。因此，必須對太陽能電池周邊的摻雜硅進行刻蝕