太阳能电池铸锭及切片设备概况

寇恒杨

身份证号码：32072219860722xxxx

摘要：利用太阳能光伏发电技术、为人类创造洁净的可再生能源是未来的大趋势，并且随着全球能源的日益紧缺，太阳能产业必将迎来新一轮的发展高潮，这也将使光伏设备发展在未来一段时期内被看好。此外，中国不断出台扶持太阳能产业发展政策，必将进一步刺激对太阳能光伏设备的需求。

关键词：光伏电池生产设备；多晶硅铸锭；铸锭生长系统；硅片切割系统

1.国内设备市场

据美国Solarbuzz的调查，预计太阳能电池制造设备2011年的市场规模将比上年增长41％，达到152亿美元。太阳能电池制造设备的市场规模在2011年第一季度一度达37亿美元，创历史最高水平。虽然到2011年第二季度，市场规模仍将继续扩大，但在此峰值之后，市场规模将开始缩小。设备投资将骤减的原因在于欧洲削减补贴。预计2011年太阳能电池市场将比上年只增长12％。受此影响，2011年下半年，太阳能电池厂商将开始重新审视产能扩大计划。由于从制造设备订货到供货需要3-6个月，因此要到2012年才会真正影响到制造设备。光伏行业的大发展引发了市场对硅片、晶硅以及元件生产设备的需求。同时，在光伏行业进入新洗牌期之际，很多企业面临更大的挑战，即尽可能地降低生产成本成为企业寻求生存的关键。2010年我国晶硅太阳能设备大幅度增长，13家主要太阳能电池设备制造商太阳能设备销售收入达到36.8亿元，比2009年增长了82.1%。其中，太阳能级晶硅生长设备销售收入23.2亿元，比上年增长93.3%，占太阳能电池设备销售收入的63.0%。太阳能级晶硅生长设备（包括单晶生长炉和多晶铸锭炉）是主要驱动力之一。

2.多晶硅太阳能电池

美国麻省理工学院研究人员曾在实验室研制出了约2厘米宽的小型多晶硅太阳能电池，其光电转换效率比普通多晶硅太阳能电池提高了27%，而且维持了低成本。他们主要采用了下列关键技术：其一，在太阳电池表面增加纹理，使硅板能吸收更多的光。当光线进入电池时，粗糙的表面使光线发生弯曲；当光线到达电池背面时，它不会被直接反射出去，而是被小角度反弹回来，从而驻留在硅太阳能板里。光线在硅板里停留的时间越长，它被吸收而转换成电能的几率就越大。其二，制备了直径只有常规太阳能电池所用银丝1/5的更细银丝，从而提高了导电率。此外由于银丝越细，制造成本越低。与普通银丝相比，细银丝可以更紧密地排列，彼此的间隔更小，这会使银丝采集电流的效率更高。使用宽平的金属条来汇集通过细银丝传输的电流，并通过蚀刻金属条表面，使其变得像多面镜一样，从而获得了同在硅板表面增加纹理一样的效果。27%的效率提升意味着可以较低的成本生产出与单硅太阳电池效率相当的多晶硅太阳电池。

3.超高效硅太阳能电池

美国科学家曾研制出了一种超高效硅太阳能电池，研制者采用了一种新型的横向光学聚焦系统，该系统将入射光分成高、中、低3个不同的能量束，分别照射到不同的感光材料上，这些感光材料总的吸收光谱则覆盖了整个太阳光谱。更重要的是，该聚焦系统包含一个静止的宽接收角光学系统，可以捕获大量的光能，且不需要复杂的跟踪装置，整个系统厚度不到1厘米。这种电池在标准的陆地日光条件下，其太阳能转换效率达到创纪录的42.8%，比其他种类太阳电池高出大约30%，是目前最好的硅太阳电池的2倍。位于美国新罕布什尔州莫瑞麦克市的GTSolarInternational公司，是一家全球领先的光伏行业多晶硅生产技术、多晶炉系统及相关光伏制造服务供应商，服务于太阳能、LED和其他专业市场。并提供客户期望的生产效率和可靠性，在保证高质量晶体及大批量铸锭生产的同时，缩短周期，改良流程，使生产效率相对于DSS450提高了44%。新系统延续了GTSolar以往的成功经验，帮助客户从他们的设备中获得更大价值。客户可以对其现有熔炉的上一代DSS进行升级，以实现与DSS650一样的高产能与高性能。与先前的款式相比，DSS650可以实现更高的产量，并且可以降低耗材成本。

GT-DSS650的特点：底部装料舱室：令操作更加简单安全；标准化夹层模块可确保安装方便快捷；生产高效电池片的材料；硅锭尺寸：84cm×84cm；硅锭重量：＞625kg；批量铸锭成品率：≥70%；铸锭周期：74h；＞2500台系统的生产经验，确保无故障的生产通道；最低设备占用成本（COO）。作为多晶炉技术领域的企业，GTSolar在全球范围内已经安装了超过2200套DSS系统，为大批量生产和更低的拥有成本创造了途径。

4.硅片切割设备

4.1精确硅片切方系统

应用材料公司HCTDiamond切方系统拥有附着研磨剂钻石切割线技术，最多能够降低硅锭切方成本达30%。这个新系统的切割速度是传统PWS切方系统的2.8倍，同样的占地面积和产能情况下实现的产量是原来的2.5倍。同时，运营维护和维修成本减半，每个硅块的处理能耗减少50%，从而降低了30%的拥有成本。切割工艺中由于避免了使用研磨浆料，生产环境变得更加整洁，操作更加简单，无需碳化硅/聚乙二醇的管理和处置。

4.2HCT切头系统

AppliedHCT裁切机可在高载荷容量下切割晶体硅锭的顶部和底部。它可提供与AppliedHCT切方机相同的低锯缝损失、高生产量和高可靠性。

4.3MB271线锯

MEYERBURGERTECHNOLOGY（梅耶博格）公司的线锯系统能够将单晶硅和多晶硅材料切割成超薄的硅片，同时降低截口损失。硅片切割工艺始于由单晶硅或多晶硅材料制成的实心硅锭。线锯将硅锭裁成方块，然后再切割成很薄的硅片。这些晶体硅片就被用作制造光伏电池的衬底。如今的线锯切割大多数是通过多线切割技术（MWS）实现的。目前原材料费用占晶体硅太阳能电池总体成本相当大的一部分，因此线锯技术对于降低每瓦成本并让太阳能光伏价格与传统电力能源持平来说至关重要。

4.4硅片切割工艺影响产量的因素

4.4.1切割台速度（或进料速度）

指固定待切割硅锭的切割台通过运动中切割线网的速度。硅锭通过切割线网开始接受切割时，切割线和硅原料之间的压力会逐渐增加。两者之间的研磨浆料通过一种被称为“滚动与压入”的研磨机制开始切开硅原料。在压力增加与原料开始移除之间的延迟会导致切割线网出现弯曲。一旦原料移除速度和切割台下移速度匹配，切割就达到了运动平衡。在指定的切割台速度和载荷下，这种平衡很大程度上取决于切割线速度、浆料切割能力以及切割线张力。

4.4.2载荷

指每次运行的总切割面积，即硅片面积乘以硅块数量然后再乘以每个硅块能生产的硅片数量。每个硅块可生产的硅片数量由硅块或硅锭的长度除以导轮的槽距所得数值决定。

4.4.3钢线直径

较小的钢线直径意味着更低的锯缝损失。然而，钢线直径较小的切割线容易断裂，而且在切割过程中会受到更多的磨损。这种钢线直径的变化会增加切割线断裂的风险并影响硅片质量。优化切割线损耗的方法包括在切割线磨损和断裂风险之间找到最佳平衡点：一种能承受更多切割线磨损的系统虽然可以减少切割线的用量，但是却面临着更为频繁的切割线断裂风险。在特定应用中（载荷、硅片厚度等），切割台速度（进料速度）与切割线速度之比越高（VT/Vw），则切割线磨损就越快。

5.结束语

鉴于越来越严重的能源危机和环境污染问题，太阳能电池技术的发展应该更快，应用规模应该更大。我国太阳能电池技术水平与国外尚有相当大的差距，必须吸取先进国家的技术经验，并结合国情，投入一定量的资金和人力，进一步发展太阳能电池技术。

参考文献：

[1]张涛.光伏行业硅切片段清洁生产审核方法研究[D].长安大学，2014.

[2]戴鑫.多晶硅铸锭工艺研究和数值模拟[D].太原理工大学，2012.

[3]顾秋容.我国光伏产业成本问题研究[D].华中科技大学，2012.

[4]许敏界.面向多线锯超声振动台研制及其超声加工机理研究[D].浙江工业大学，2015.