中国晶体硅电池制造设备现状

时间:2010-03-22 21:09 中国太阳能网 点击:我要评论

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前言:有数据显示,2008年全球所有光伏电池和模组制造设备销售额达44亿美元。而据中国电子专用设备工业协会统计的数据,2008年全年中国太阳能光伏设备销售收入将达到25亿元。目前,我国光伏设备企业从硅材料生产、硅片加工、太阳能电池片、组件的生产以及相应的纯水制备、环保处理、净化工程的建设、以及与产业链相应的检测设备、模拟器等,已经具备成套供应能力,部分产品如扩散炉、等离子刻蚀机、单晶炉、多晶铸锭炉、层压机、检测设备等开始出口。值得一提的是,硅材料加工设备中单晶炉以优良的性价比占据了国内市场的绝对统治地位并批量出口亚洲,多线切割机已取得突破,多晶硅铸锭炉已经开始大量在国内企业中使用。继《光伏信息》报2009年第49期(4月刊)《金融危机下中国多晶硅项目大盘点》专题后,本刊又推出此次《中国晶体硅电池制造设备现状调查》专题,数据难免有些出入,肯切期望中国光伏设备企业批评指正。(由于时间原因,部分企业未能录入,敬请原谅)

    据中电四十八所提供数据显示,在10太阳能电池制造生产线设备中,国产设备已能提供其中的8种,其中有6种(扩散炉、等离子刻蚀机、清洗/制绒机、去磷硅玻璃(PSG)设备、低温烘干炉)已在国内生产线上占据主导地位,2种(管式PECVD、快速烧结炉)与进口设备并存但份额正逐步增大。但是,全自动丝网印刷机、自动分拣机、平板式PECVD仍然依赖进口。目前国内太阳电池注流建线方案为国产和进口设备混搭,基本以国产为主。设备投资方面,一条25MW的标准生产线需3400—6000万元。我国太阳能电池制造设备目前的技术水平如下:首先,在湿法腐蚀、清洗设备、扩散方面,主要是自动制绒设备、自动清洗设备、全封闭扩散炉、刻蚀机、去PSG设备等国内已经能够制造,已经达到世界先进水平,且性价比优势十分明显;第二,国产PECVD(管式)的工艺结果已接近世界先进水平,这是这种设备的优势。但它的自动化程度(自动装卸片 )不如进口设备(进口设备如德国Centrotherm公司产品,售价是国产设备的三倍左右),平板型PECVD目前国内已有企业生产,有待进一步验证; 第三,国产丝网印刷机(只有手动),与进口自动化产品的差距也是在自动装卸片(机械手)和自动检测手段上,全自动丝网印刷机已有企业生产,工艺有待进一步验证;第四,高温烧结炉技术提高,开始批量在大线上使用;第五,自动检测分拣设备目前国内已达到国际中等水平。

    然而,尽管国产太阳能光伏设备在国内用户中已建立起良好的信誉,得到业界的广泛认可,越来越多的客户从价格适中、性能良好、技术不断进步的国产设备中受益。但我们也应该看到,国内半导体设备厂商在整体技术水平尤其是尖端技术水平上和国外厂商尚有差距。业内专家指出,国产太阳能光伏设备的竞争力不完全在于设备的性能指标,而在于设备的性能价格比。成本是太阳能光伏产业的终极目标,业内有句话,光伏设备没有最好的,只有最合适的。据了解,建设一条太阳能电池生产线,70%以上的投资是用来购买设备,而国产设备的价格平均只有国外产品的1/3—1/2,采用国产设备辅以少量进口设备,可以将建线成本降低一半以上。

    本文将从晶体硅太阳电池生产工艺流程(图一)中所涉及到的影响太阳能电池光电转换效率的清洗制绒设备、扩散设备、刻蚀设备、去磷硅玻璃设备(去PSG)、镀减反射膜(PECVD)设备、印刷电极设备、烘干烧结设备、测试分选设备等典型企业进行阐述。

 


图一  晶体硅太阳电池生产工艺流程
 

清洗/制绒设备:单晶硅电池槽式基本国产,多晶硅电池连续式进口居多

    当前环境下,国内清洗设备企业正直面生存和发展的问题。调查中发现,面对这场全球性的危机,电池清洗设备企业在担忧的同时,应对未来发展持谨慎乐观态度。担忧的是这场风险对那些发展不好、实力不强的企业影响很大,乐观的是清洗机行业仍然是全球和我国持续发展的新材料产业。过去几年来,清洗机国内产量快速增长和外贸出口量不断加大,产业不断扩张,这造成了当前大量清洗机开始“倒向”国内市场。国内清洗机行业因国内外市场的需求萎缩,企业出现限产和停产的状况。但是,与此相反的是,北京七星华创自2003年进入光伏设备领域以来,为尚德电力、南京中电、林洋新能源、晶澳太阳能、天威英利、浚鑫科技、天合光能、阿特斯、上海交大泰阳、云南天达、中轻太阳能等多家太阳能电池生产企业制造了近3000MW的太阳能电池酸洗制绒设备。

    在调查中了解到,在太阳能电池企业,目前在清洗制绒方式上采用的设备方式一般有三种:一种是效率不高但很实用的手动操作清洗设备;第二种是分体式全自动清洗,即清洗、制绒工序各用相关设备;第三种是目前较流行的一体式清洗机,从研磨片到电池片一步到位。以上三种方式各有利弊:手动操作尽管慢,但对于产量不大,人力成本低的厂家来说是很好的选择;分体式清洗机对硅片参数要求不高,效率也比较高,较容易找出电池片出问题的所在;一体式清洗机效率高,自动化程度高,但对硅片尺寸要求严格,维护起来也不太方便。

    制绒工艺比较复杂,不同公司有各自独特的制绒方法。基本的工艺流程为:上料→HF+HNO3腐蚀→QDR+氮气鼓泡+喷淋→KOH腐蚀→QDR+氮气鼓泡+喷淋→HCl腐蚀→QDR+氮气鼓泡+喷淋→下料→离心机甩干(离线)。使用到的化学添加剂有两种,一种是IPA(异丙醇),另一种是工业酒精。目前国内的清洗制绒设备以达到了国际先进水平,体现在以下方面:全程PLC控制,触摸屏操作;采用新型匀液及风道设计技术,降低清洗成本,减少污物的排放;新的密封隔离技术的使用,杜绝了生产过程中的微漏,保护整体电气系统的安全;槽体配置可实现腐蚀后残留在片子上的化学液及污染颗粒的冲洗祛除功能;大多采用机械手方式移动,工艺时间可以自行调节;酸碱槽具有自动补液装置,可实现无间断生产;整个清洗、制绒过程中使用环保的清洗制绒液,降低了后续处理成本;最重要的是融合热氮烘干功能,取代甩干机,大大降低了碎片率。以上技术在调查中,基本以槽式机为主,在湿法制绒(连续式)及等离子(干法)制绒机方面国内正在研发,试验工艺已取得一定进展。

    国内清洗制绒设备生产企业有以下三种状态:一是从国有企业转型的老牌电子或半导体设备制造企业,代表企业有:中电四十八所(能提供完整的电池生产线)、西北电子装备技术研究所(中电二所)、中电四十五所、保定天威新能源等;二是新近崛起的典型电子或半导体企业,代表企业有:北京七星华创、深圳捷佳创、北京华林嘉业、北京中联科利、苏州华林科纳、青岛赛瑞达等;三是水处理或超声波设备公司转型,代表企业有:深圳市恒通源、深圳市和科达、张家港声达超声设备、深圳市超纯水、深圳市纯水一号、张家港德科超声、上海睿鹏清洗设备等。

扩散炉:经历了开管——闭管——全封闭扩散三个阶段,绝大部分电池企业采用国产装备

    上个世纪60年代由于国产光伏电池装备技术落后,无法满足电池工艺生产,一些电池厂家先后从国外引进了链式扩散设备。1965年以前,这是我国扩散炉出现阶段,扩散炉随着半导体工艺的产生而出现,这一阶段的国产扩散炉水平与国外水平差距不大。进入80年代我国电子工业专用装备取得长足进展,电池生产用扩散设备回到管式扩散。2001年,中国电子科技集团48所与无锡尚德公司的携手合作拉开了我国太阳电池生产用扩散设备技术与配套工艺飞速发展的序幕。短短的几年时间里,我国光伏专用扩散设备经历了从处理125mm×125mm、156mm×156mm方硅片向210mm×210mm方硅片跃进;扩散的质量从原来的单片和整管扩散均匀性在7%以内的水平,提高到目前单片和整管扩散均匀性在4%以内的国际先进水平;扩散方式从原来的开管扩散到现在的环保、洁净、节能、安全的全封闭扩散;单批次产能从原来的150片、200片、300片发展到日前的400片;控制方式从原来的手动、PLC半自动控制到日前的微机全自动控制。目前我国光伏电池装备市场上共有各类扩散设备上千多管,其中85%左右以处理125mm×125mm电池片为主,兼容156mm×156mm电池片,这其中又有90%以上为微机自动控制设备,只有不到10%为手动或PLC半自动产品。

    技术特点在整机设备向全自动化、高生产效率、低成本扩散、操作人性化发展的同时,其核心单元技术如温度控制将不可避免地采用更精细的控制方式(内外热偶串级控制技术等)。通过对加热部件和负载同时监控,确保实际工艺温度长期重复、稳定可靠;工艺气体流量控制将从目前的模拟向数字MFC(质量流量控制器)发展,以实现更稳定的工艺气体流量控制。今后几年内,整机将向减压扩散、立式扩散、链式扩散等方向发展,以适应12"及更大尺寸硅片的工艺要求,其单批次处理能力将达到更高的600~800片/批次。

国产三代扩散炉技术比较

序号
 开管扩散
 闭管扩散
 全封闭清洁扩散
 效果
 
1
 反应管尾部进气、头部排气,载片量300片/管。
 反应管尾部进气,头部排气,尾气定向收集,400片/管。
 反应管尾部进气、尾部排气,尾气定向收集,400片/管。
 废气排放量减少90%以上,生产量提高30%以上。
 
2
 悬臂推舟送片,和反应管平板靠接
 悬臂推舟送片,

圆锥立体靠封
 软着陆送片,自动门完全封闭
 减少源消耗4/5,减少偏磷酸排放,综合扩散成本降低15%以上。
 
3
 送片桨始终在

反应管中
 送片桨始终在反应管中
 送片机构装片后

推出
 送片机构基本上不用清洗,石英管清洗延长到2次/年
 
4
 多层源柜同一

抽气管道
 分层独立抽气
 分层独立抽气,

抽风量独立可调
 杜绝微泄引起的

慢性腐蚀
 
5
 加热炉端口硬质材料密封
 石英领密封
 新型炉体结构,

石英领密封
 炉体变形更小,

更节能
 

(上表信息提供:中电四十八所)

国内重点扩散炉生产企业概况(排名不分先后):

1、中电四十八所:中电四十八所事业二部承担着扩散炉等其他太阳能光伏设备的生产,2008年,成功研制出了新型闭管扩散炉——全封闭推舟软着陆扩散炉,2008年销售数百台之多,截至目前市场占有率在80%左右。包括其他光伏设备在内,2008年销售收入达10.15亿元,新签单5亿多元。另外,2008年相继为江西佳辉、神州光电等单位数十条生产线提供了除丝印机之外的整线装备。今年一季度,中电四十八所销售额达到收入4.1875亿元,比去年同期增长70%以上,真正实现了在金融危机影响下弯道不减速。四十八所新型扩散炉,单管产能高达400片,在产能提高33%的同时,能源消耗降低50%以上,废气排放降低到原来开管扩散的1/10,能耗降低20%左右,平均单位扩散成本降低20%以上。成功突破了炉门自动密封、尾进尾出送气、废气自动收集、三维送片机构调整等多项关键技术。达到国际先进水平的大生产用新型太阳能电池生产专用扩散设备,价格却只有进口同类设备的1/3。

2、北京七星华创: 北京七星华创电子股份有限公司(简称“七星电子”)传承五十多年电子装备及元器件的生产制造经验,于2001年9月成立。七星华创于2007年研制出新型扩散炉,具有四套独立的工艺炉管,关键件全部采用进口件,采用进口智能控制器,可输出四个开关量,对炉温、阀门动作进行自动控制,并管理全部工艺时序,可编辑存贮十条工艺曲线实现为实现闭管扩散工艺,所以必须进行炉口密封,在这方面,七星华创经过无数次的试验,包括数次失败的考验,最终解决了这个棘手的难题:即在没有任何水冷条件下,在工艺温度高达900 ℃时,采用普通氟橡胶密封圈能够使工艺管密封,并能够长期工作。

3、深圳捷佳创:深圳市捷佳创精密设备有限公司自成立以来,在中国清洗、喷涂等非标机械设备制造领域以高科技、高品质的产品树立了良好的市场形象,同时捷佳创大力拓展与国内各研究所的合作,积极吸收国际先进技术,成为具有国际水准的专业精密设备设计制造公司。捷佳创扩散炉的软着陆装置,结合了国际高端设备商应用的优势,运行稳定可靠,SiC桨实现免清洗。另外,自主研发的国内唯一的串级温度控制方法,实现5段自动适时恒温区,确保工艺片分分秒秒处于真正的恒温区,同时炉管内工艺反应区域炉温能自动快速响应与恢复,最大限度地保障工艺片需要的准确温度,可有效地提高工艺片的均匀性。2008年,捷佳创光伏设备销售额达到2亿多元,暂没有产品出口计划。

4、株洲众欣科技:株洲众欣科技专注于磁流体领域,公司创办人罗喜梅女士是国内第一个把磁流体技术进行产业化生产并运用到真空领域的研发型企业家。2007年,众欣科技通过和国内的大专院校的多名专家学者细致交流,然后进行了大量的市场实际调查,众欣科技认为扩散在电池片当中,起到决定性的作用。从提高转换率以及降低生产成本出发,在现有市场上使用的扩散炉技术方面进行了革新,成功研发出新型“气旋动态”扩散炉,截至目前已成功销售3台卧式“气旋”扩散炉。对于“动态”扩散的定义,众欣科技是这样解释的,这是一个相对的概念,主要是针对硅片而言,现在市场上的硅片在扩散的过程当中都是静止不动的,而众欣的动态扩散,就是硅片在整个扩散过程中是一个运动的状态。由于硅片主动地寻找扩散,而不是象原来的被动扩散,所以这个动态扩散的均匀性在远离上面确实可行,该扩散炉最大的特点体现在扩散的效果上:保持方块电阻片内均匀性在3欧姆之内,源的使用量减少使用量三分之一。今年七月,众欣科技将为湘潭一企业提供六管动态扩散炉,即25MW生产线。同时,根据市场的需要,众欣科技也可以提供动态扩散改造服务,为电池片生产厂家节约大量的生产成本和运行费用。

5、青岛赛瑞达:青岛赛瑞达设备制造有限公司由北京昊海立德科技有限公司注资的高新技术企业,是集开发、生产、销售为一体的专业厂家。具有自主研制、设计和开发半导体专用工艺设备、包装机械、智能化仪表等产品的能力,同时可根据用户的不同需求进行设计和开发,并且具备改造、装备国外二手设备的能力。该公司扩散炉为闭管磷扩散,带有工艺废气冷却定向回收装置,偏磷酸、CL2分开收集处理,工艺废气集中收集从尾部定向排出,各种工艺气体可分开送入石英管内,工艺气体(三氯氧磷)可采用喷淋式方式引入到石英管内,采用悬臂式推拉舟送取电池片,另采用侧面布局的悬臂推拉结构,可有效的防止偏磷酸下滴,造成推拉机构受腐蚀,影响推拉机构的精确性。

手记:光伏设备企业要想发展好,还必须和产业链的各个环节进行紧密结合。从半导体设备行业发展的经验看,光伏行业只有设备没有工艺,很少有设备能进入大生产线。因此,发展光伏产业要总结这些经验教训,光伏设备厂商应通过与国内一流光伏企业结成战略同盟,将先进工艺物化于设备,提供技术先进、质量稳定、满足工艺需要的优质设备,彻底打破以往设备和工艺脱节的发展模式,直接同步工艺技术的发展。值得欣慰的是,目前国内太阳能光伏设备行业的发展出现了可喜的变化,部分企业在提供设备的同时已能提供相应的基本工艺,只要购买了他们的设备,生产出合格产品是没有问题的。此外,创新也是国内光伏设备企业急需跨过的门槛。唯有创新才有发展,设备企业应该加大研发投入,利用中国这个世界最大的光伏设备市场,结合自身的特点,积极扩展产品门类,在国外占垄断地位的设备产品上有所突破。非常欢迎相关企业与笔者联系,电话0471-3380137,QQ:24089306.
 
 
等离子刻蚀机——干法腐蚀设备全部国产为主,少量湿法腐蚀设备需要进口

    由于在扩散过程中,即使采用背靠背扩散,硅片的所有表面包括边缘都将不可避免地扩散上磷。PN结的正面所收集到的光生电子会沿着边缘扩散有磷的区域流到PN结的背面,而造成短路。因此,必须对太阳能电池周边的掺杂硅进行刻蚀

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