光伏电池生产线自动化设备的应用及发展趋势

谷聪超 张黎静 康永川

[摘    要 ]近几年，我国光伏行业、光伏技术快速发展，“十四五”规划和2035年远景目标建议，将大力发展光伏新能源，发展绿色低碳循环经济体系。文章以光伏电池生产线自动化设备的应用为立足点，探讨其未来发展趋势。

[关键词]光伏;电池生产线;自动化;发展趋势

[中图分类号]TM914.4 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2021）06–0–02

[Abstract]In recent years， China's photovoltaic industry and photovoltaic technology have developed rapidly. With the "fourteenth five year plan" and the long-term goal of 2035， we will vigorously develop photovoltaic new energy and develop green low-carbon circular economy system. Based on the application of photovoltaic cell production line automation equipment， this paper discusses its future development trend.

[Keywords]photovoltaic; Battery production line; Automation; Development trend

近年来，国家出台了一系列政策扶持光伏组件自动化装备行业，经过发展和积累，已经具备一定技术水平和生产规模，整体光伏组件自动化装备水平、生产效率已经超越国外同行业公司。其中，光伏电池生产设备需要经过扩散、蚀刻、测试等工艺过程，其水平高低直接决定该环节工艺技术水平的高低，是光伏产业发展的重要支撑。

1 当前光伏电池生产线自动化设备现状

光伏电池片可分为晶硅电池和薄膜电池，晶硅电池拥有较高转换效率，目前已经成为市场主流。我国光伏电池生产线起步较晚，最近几年受主流工艺改良影响，原本的光伏电池生产线使用设备已经缩减到6种，工艺步骤也减缩到6步，相关核心技术也取得突破性发展与应用，自动化水平不断提升，不仅有离线模式，也有与主机工艺设备相连接的光伏电力生产线，性价比远超国外进口设备，工作效率也大大提升[1]。据相关数据统计，2020上半年我国光伏产业中，多晶硅产量达到20.5万t，同比增长了32.2%;硅片产量达到75.0 GW，同比增长了19.0%，电池片产量为59GW，同比增长15.7%。

中国光伏行业协会副理事长兼秘书长王勃华曾经做出预测，“十四五”期间，我国年均光伏新增装机规模将达70～90 GW，未来5年，光伏新增总装机量将达350～450 GW。面对即将到来的巨大增量，光伏行业需要加大先进电池生产线设备的应用推广，最大限度地提升生产效率和生产质量，为未来光伏发电市场化奠定坚实基础。

2 光伏电池生产线各工艺阶段自动化设备特点

晶硅电池可细分为多晶电池和单晶电池，其中单晶电池包括P型电池（硼扩散）和N型电池（磷扩散）两大类，目前市场占比较高的是P型电池具备发射极钝化和背面接触电池的特性，也就是利用特殊材料在电池背面形成钝化层作为背反射器，增加长波光的吸收，铜焊丝增大P-N极间的电势差，降低电子符合，提高效率。以其生产过程为例，P型电池的生产步骤共分为6步，具备包括制绒、扩散、湿法背面刻蚀、双面钝化薄膜、背面介质薄膜开孔、金属化[2]。目前，随着电池片尺寸增大、工艺复杂度增加和插片密度增加，上下料台、插片机、AGV小车等自动化、智能化设备已经成为光伏电池片生产的必要设备。

2.1 制绒工艺段

制绒工艺段是指利用碱将硅片表面的各种损伤去除，并在清洁表面油污及其他金属杂质后将其制成受光反射率较低的绒面，提高电池光电转换率，工业生产中一般采用成本较低的氢氧化钠或氢氧化钾稀溶液来制备绒面[3]。相关设备厂家包括施密德、RENA、晶洲装备、捷佳伟创等，其中捷佳伟创是国内代表设备企业，在产能、自动配补液精度、控温精度等方面性能已经达到世界先进水平。

通常情况下，该工艺阶段是指借助碎片率低于千分之一的单台上下料设备性能，将一堆叠片的硅片放进上下料机中，完成自动上下任务。目前主要使用设备为德国的RENA和SCHMID，工位数既有5位也有8位，促使当前5位工位数工艺实现有效改进，提高产能。上料机是指将硅片放置在专用料盒中，并通过吸片将硅片放在传送带再送至制绒设备中，因此需要在与制绒设备相接皮带上增加自动速度匹配装置，以保证上料皮料与主工艺设备速度一致。

2.2 擴散工艺段

扩散工艺段是指将硅片的单面或者双面液态源磷进行扩散，制作N型发射极区，形成P-N结的过程，扩散工艺的好坏直接影响电池片效率的多少，核心技术指标是扩散方阻均匀性、控温精度和稳定性、工艺时间等，主要使用设备为全自动石英舟上下料机。具体工作特点是指在上料时将篮具中硅片自动装载至石英舟中，下料时将石英舟中的扩散好的硅片自动装载至篮具中[4]。目前，石英舟上下料机大都使用了六轴机器人，稳定性高、布局紧凑、占地面积更小，能够充分发挥机器人柔性特点，也便于调节和维护。

扩散工艺对洁净度要求非常高，需要通过人工作业方式，使用专用镊子夹取硅片，以实现上下料，工作强度大、效率低且容易出现碎片。石英舟是扩散工序的专用载体，放置槽的间隙很小，而且必须确保齿槽中心线与垂直方向的倾角为3°，这就要求具备较高精度、材质为非金属的吸盘，一次至少吸50片硅片，经大量研究实验后，最终选择硬度合适、耐温性高、平面度好的陶瓷材料制成吸盘。目前，相关设备主要提供厂家为捷佳伟创、Tempress、丰盛装备等。

2.3 刻蚀工艺段

刻蚀工艺段是指将扩散后硅片周围形成的短路环去除。目前，主要使用的湿法背面刻蚀设备与制绒设备有着相似结构，都是在上料机中将硅片装至篮具中送到刻蚀设备，也同样需要在传送带与工艺设备接合处设置速度匹配装置，确保传送速度，且能进行实时调整变化。另外，可以在上料机增设缓存装置，确保不会因更换篮具中断硅片传送速度，达到硅片间距一致的目标，提供更加优质的客户服务[5]。

2.4 钝化工艺段

当前时期，P型电池中钝化工艺主要包括两种方式，①使用PECVD（等离子体化学气相沉积）设备一次性完成三氧化二铝和氮化硅膜的层叠。②使用ALD（原子层沉积）设备完成三氧化二铝镀膜，PECVD完成氮化硅镀膜。其中，第二种工艺中使用的ALD设备能够提高膜层的均匀性、阶梯覆盖率，精确控制厚度，相较于传统沉淀工艺，更能提升光电转换率，优势较大。目前，ALD的主要设备厂商包括理想能源、Solaytec、江苏微导等。

2.5 丝网印刷工艺段

丝网印刷工艺段是指在硅片表面印刷具有一定图形铝浆或者银浆，经过一定烧结后形成欧姆接触，确保电流有效输出，需要依次完成背场、背电极、正栅线电极等制作流程，目前主要设备供应厂商有迈为股份、Baccini、科隆威等。相比上述几种光伏电池生产线设备来说，印刷工艺段上下料机设备较为简单，可以看做单道上下料机，同时采用双工位切换结构更换篮具，能够有效降低生产成本。

2.6 激光开槽工艺段

激光开槽工艺段是指利用一定脉冲宽度的激光，去除部分覆盖在电池背面的钝化层和SiNx覆盖层，使得丝网印刷的铝浆或银浆能够与电池背面的硅片形成有效接触，使得光生电流可以通过AL层到处。

当前时期，随着光伏生产线自动化、智能化技术的不断提升，有效降低了光伏电池片生产成本，提高了光伏电池片车间的效率，也帮助光伏电池行业相关企业实现了达成能、低损耗的经营目标，进一步扩大市场规模。

3 光伏电池生产线自动化设备发展趋势

目前，国家能源局正在积极谋划“十四五”期间新能源发展布局，考虑推动各地建设一批百万千瓦级的光伏发电平价基地，还要推动屋顶和地面分布式光伏发电的建设，以期达到分布式光伏发电的规模跨越式发展，最终实现新一代可再生能源发展电力系统。要实现这一目标，就要加强光伏电池生产线自动化设备科学研究，加大投资力度和政策支持，鼓励更多企业参与到相关设备和产品研究生产中，积极推动行业技术快速成熟，提高市场渗透率，以快速降低生产成本、提高光电转换效率，实现行业整体工艺进步。未来我国光伏电池生产线自动化可能有以下发展趋势。

3.1 硅片薄片化、大片化

降低光伏电池硅片厚度（即薄片化）、增大硅片尺寸（即大片化）将是光伏行业发展的重要发展趋势。但是，薄片化会引致碎片率升高风险、大片化将超出当前设备的可加工规格，因此，为适应该技术发展趋势，光伏电池生产工艺各阶段和设备都要随之变更。例如，多主栅技术将会增加电池片上主栅数量，降低了银浆使用量，也使得电池片上电阻、电流分布更加均匀，有效提升发电效率，需要进一步升级串焊机设备，提高串焊机焊接能力、稳定度和精度，多主栅电池将代替5主栅电池成为市场占比最大的光伏电池种类。

3.2 全线自动化、智能化

目前我国部分企业已经实现光伏电池生产线自动化、智能化，但是相关技术还未完全成熟，市场普及率低。2017年，世界首条全智能光伏电池生产线在成都投产，该生产线采用智能在线式自动化生产设备，整个过程无人化、全封闭，生产全部工艺段由高度智能化、自动化生产设备完成，与传统光伏电池生产线相比，单位时间内处理硅片制绒、扩散、湿法背面刻蚀、钝化等时间缩短，电池片转换效率有效提升，而且能够对整个生产过程进行实时跟踪，并利用在线检测设备及时纠偏，生产出的电池片质量和数量远高于行业平均水平。随着相关技术设备的成熟，光伏电池生产线全线自动化时代必将到来。

3.3 N型电池市场占比将进一步增加

考虑到成本优势，P型电池在我国率先推出，但是N型电池的平均转化率高于P型电池，且目前N型电池中的异质结（HJT，即具有本征非晶体的异质结，在电池片内同时存在晶体和非晶体级别的硅，非晶硅的出现能够更好实现钝化效果）电池已经进入量产，全面推广后市场份额将持续增高，将会是未来主要发展方向之一。但是，N型电池对设备性能要求更高，需要获得高度一致性的绒面结构和高度洁净的晶硅表面，这就要求相关企业不断试验，在制绒清洗设备中槽体结构和设备选材上全面升级、革新，提升设备自动化性能，以便达到各项指标，降低生产运营成本，加快N型电池产业化进程。

4 结束语

太阳能将是未来主流清洁、绿色能源，光伏发电产业拥有无限潜力。《中国2050年光伏发展展望》曾经预测，“2020—2025年，中国光伏将启动加速部署;2025—2035年，中國光伏将进入规模化加速部署时期;到2050年，光伏将成为中国第一大电源，约占当年全国用电量的40%。”截止今日，我国光伏电池生产线自动化中，还有部分工艺段和设备需要人工作业，但随着光伏产业快速发展，光伏电池生产线设备自动化、智能化、信息化将在不久实现，为光伏发电市场化提供强有力支撑。

参考文献

[1] 石磊，陈立东，曹耀辉，等.全自动太阳能电池组件封装生产线方案的设计[J].科技视界，2018（4）：16-17.

[2] 汪瑞良.光伏电池生产车间自动化传输系统[J].制造业自动化，2019（2）：33-36.

[3] 王鸿飞.我国光伏产业发展现状、存在问题及解决对策[J].资源开发与市场，2013（8）：840-843.

[4] 苗泽志，范新丽，戎有兰.机器人在光伏扩散工序上下料中的应用[J].现代制造技术与装备，2013（4）：29-30.

[5] 席思南，赵忠志.全自动硅片上下料机的称重控制系统开发[J].电子工艺技术.2020（5）：302-304.