利用自动化帮助降低太阳能电池的制造成本

利用自动化帮助降低太阳能电池的制造成本

太阳能电池领域的从业者一直都会认为，工艺集成与自动化是降低成本的关键因素，但是如何才能最好的实施工艺集成却存在众多分歧。

　　目前，工艺集成和自动化还仅仅局限在分立或者聚集机台，并且设备之间的通讯方式也随制造厂商的不同而各异。工厂自动化软件供应商The Peer Group（Kitchener, Ontario）公司的区域销售经理John Hennessy表示：“事实上，目前使用的太阳能电池工艺集成方法比厂商数量还要多。据我所知，光伏产品制造商有很多方法来传输数据以及监控在线产品的进度。在某些情况下，会使用整体设计方案，而其它一些则是由孤立自动化设备拼凑而成。即使对于MES，也没有达成实际的共识——最近我们正在帮助客户对一系列备选MES方案进行筛选，让人吃惊的是，这些备选方案之间几乎不存在共同点。”

　　量产阶段，设备之间数据交换的时间有时会存在长达几个月的延迟。实际上，VLSI Research Inc. （英国，Bedford）所罗列的顶级PV产品制造商已经达成了一个初步共识：来自单一供货商的全部包建生产线是一个解决设备之间数据交换问题的备选方案。10家最大的太阳能产品制造商中的8家都开始使用具备一定自动化程度的单晶硅或者薄膜太阳能产品全包建生产线。

　　根据供应商的报道，绝大对数新厂都倾向于购买全部包建的系统，并且其产量通常都在50 MW以上，从生产线建立之初就已经完成生产自动化。而现有的PV产品制造商生产规模通常在25 MW左右，并且通过不断新增工艺设备来进一步提高产量，这些厂商也在寻求实现核心工艺，诸如：层压、引线以及装框等，自动化的解决方案，以缩小与新型全自动化工厂之间的成本差距。

　　3S Swiss Solar Systems（瑞士，Lyss）公司的CEO Patrick Hofer-Noser表示：“虽然太阳能电池模块销售价格不断的下降，但是如果能够保持全天候运转，可以使非全自动化生产线设备利用率提高到70%，全自动化设备生产线设备利用率提高到接近100%。在这种情况下，设备开销与产品附加值相比所占的比例并不是很高。”

　　Hofer-Noser创建的3S公司主要关注于集成化太阳能设备的开发，他认为3S公司资深工程师所开发的层压机性能要优于市场上其它供货商所提供的设备。随后，他将该层压机集成到半自动的太阳能模块生产线上，并将其整体出售给客户。Hofer-Noser表示：“我们先后两次为自己公司设计的生产线，最终都出售给了客户。”最后，公司的经营方向转为集成工艺自动化生产线设计。随后，我们先后兼并了Somont公司的层压设备业务和Pasan公司的测试设备业务，以更好的完成整体生产线的集成。

　　开动自动化设备和封装机器人

 
图1. ABB集团（苏黎世）采用六轴机器设备结合不同类别的镊子应用于太阳能模块制造领域。

　　将应用于其它行业的自动化设备移植到单晶硅太阳能产品生产线使其自动化程度前进了许多。随着对新型自动化生产线投资热情的减弱，诸如ABB Group（瑞士，苏黎世）和KUKA（德国，Augsburg）这样的自动化设备供货商向新兴的太阳能产品领域额投入更多的精力。ABB公司的六轴机器设备仅需要添加额外的镊子或者吸盘以及一些新的控制程序，便可以对硅片进行操作，其可以应用于太阳能模块生产过程中的标准工艺过程，例如：修边、引线、装框以及安装等。

　　作为一家大型自动化系统供应商，ABB并没有进入太阳能产品制造领域的计划，而是选择将设备卖给Jonas & Spire Solar这样的太阳能生产线厂商，让其完成生产线的集成。ABB公司的Keith Fox目前负责美国太阳能产品制造市场内的业务拓展，其表示：“ABB的自动化设备在很多工业领域已经应用了很长一段时间，通过嵌入额外的通讯模块，便可以完成与其它设备之间的数据交互。”

　　Conergy AG在德国法兰克福的250 MW太阳能电池模块制造厂使用ABB公司的六轴自动设备进行预清洁工艺，每20秒便可以完成220 Wp模块中的引线、修边、装框以及搅拌等工艺。四台装备有图像处理功能的机器设备可以代替30～40个操作人员，来从事诸如引线这样的劳动密集型生产工艺，并保持更高精度的重复性。但是即使这样大型的自动化工厂以全天候运转，某些工艺，诸如：背面层压，修编后的密封等工艺，还需要人工完成。

　　单晶硅太阳能电池在不同工艺设备之间的移动是通过平行取置机械设备完成的，该设备类似封装工艺中所使用的快速取置的机械手，能够以每分钟150次的频率进行抓取。2007年在德国Thalheim兴建的Q-Cell 240 MWp生产线，安装了36台ABB公司的FlexPicker用于负责向湿法工艺设备传递以及传出硅片。其他方面的应用主要包括向测试以及分类设备传递硅片。

　　太阳能产业自动化设备的二次开发

 
图2. Adept Technology为太阳能产品制造领域开发的取置自动化设备。

　　除了单纯使用自动化设备代替手动工艺以外，太阳能产业内还对自动化设备进行二次开发，使其更有效地集成到工艺步骤当中。具有多种自动化设备产品线的Adept Technology（加州，Pleasanton）公司也将其开发的悬空平行取置自动化设备Quattro定位在太阳能产品制造领域，并且其还专门嵌入了太阳能硅片缺陷监测系统。

　　Adept Technology公司改进了嵌入式图像处理模块的分辨率，因此机械手不仅能够定位硅片，以及检测硅片上诸如缺角之类的较大缺陷，还能够检测硅片上的微小划痕。Adept公司的市场咨询师Peter Lundquist表示：“自动设备和检测设备需要能够集成在一起，但生产设备以满负荷运转时，检测设备也要能够满足产品检测的需要。太阳能产品自动化生产线的目标是实现100%的产品检测覆盖率，并且不能因此降低生产线的生产效率。”

　　他表示：尽管提高检测设备的分辨率很重要，但是控制系统的优劣以及设备间通讯的方式才是关键。公司计划通过生产线承包商来负责出售设备，并帮助进行新设备的评估。CEO John在Adept公司最近一次电话会议上对行业分析人员表示：目前，与生产线承包商之间的洽谈还未开始，Quattro检测系统正处于评估阶段。公司计划开始设计机台面向下一个投资高峰。

　　Lundquist表示：前段工艺是最重要的第一检测点，这样太阳能产品厂商才能对未来产品有一定的了解。产品检测并不仅仅针对微裂痕，任何衬底上都可能存在的一定程度的缺陷，而是研究这些缺陷在加工工艺中的生长过程以及对良率的影响。

　　Hofer-Noser表示：3S正在试图重新考量其今年8月推出的集成自动化模块生产线。将布局与引线中的某一步骤去除，即取消在玻璃和EVA表面开孔将“三明治”夹层模块引出的常规工艺，从而降低了由此造成的破损情况。相反，在器件制造工艺后，采用传感器来获取接触孔位置，然后从背面开孔完成引线连接。同样的情况也适用于在修边工艺，传统方法采用照相设备通过分析反射性能的不同来检测边缘信息，而新的集成工艺则在器件加工之前即在衬底边缘做记号，工艺后，仅需要找到事先做好的记号便可以获取衬底边缘的位置，从而节省了工艺周期。加工好的电池模块随后进行光学检测，电性能测试以及全面的电流电压曲线的测试。

　　太阳能产品在生产设备之间的传递是通过一些桶装机械设备配以传送带完成的，通过自动化设备控制软件来完成在线检测以及产品追踪。Hofer-Noser表示：公司尽可能避免使用六轴机械设备，多轴同时意味着不确定性的提高。今年二月，公司已经将首款集成自动设备，封装流程中使用的层压机，出售给德国的客户，。

　　工艺集成有助于降低成本

　　考虑到工艺集成全包建生产线生产效率的极限，Centrotherm Photovoltaics（德国，Blaubeuren）公司认为同一家公司完成产业链的纵向集成——从多晶硅到最终的电池模块——将会是太阳能电池产品的成本得到大幅降低。在与行业分析师讨论的电话会议上，CTO Peter Fath表示不仅要降低销售、运输以及来料/出货检查的成本，更好的工艺集成方案以及公司内部的迅捷反应可以优化产品的良率，并且将单一工厂的管理系统延伸到整条产业链，从而改善统筹管理。

　　尽管还未完成所有的技术开发，Centrotherm计划提供大型全包建生产线的解决方案。公司首先提供模块和多晶硅制造设备给客户，并且随时关注其它自动化设备，例如：化学刻蚀、湿法清洗以及模块组装。

　　自从今年初提出该方案后，陆续已经有五家客户开始对其进行评估并开始协商，一些客户计划投资2亿8千万美元来兴建产量达到60 MW的全纵向集成生产线，另外还有一些客户对于产业链中某几个步骤表示了兴趣。

　　灵活的生产线有助于提高竞争力

　　出于提高太阳能电池的效率以及改善模块良率的考虑，对于灵活性高的生产线的需求也在不断升高。相对于使用相同配置的全包建生产线的厂商而言，这种灵活性高的生产线可以提高自身的竞争力。

　　3S公司的Hofer-Noser表示：“客户对我们提出了许多不同方面的要求。”一些客户欢迎SEM-10标准，尽管这些SEMI标准对于电池单元的制造很有帮助，但是其对模块领域限制过多，而模块领域与自动设备和玻璃领域存在更多的相关性。他表示：“我们正在和用户讨论尺寸标准如何制定才能够使封装技术得到最大限度的简化。但是如果某个客户所使用的反应腔能够加工更大尺寸的衬底，将会赢得生产效率上的优势，我们都很清楚相对于设备成本而言，生产效率才是更为重要的驱动因素。因此，有时我们的客户会要求我们能够处理仅比标准衬底大5 cm的衬底。”

　　Peer Group的Hennessy表示：最近几年，PV工业正以惊人的速度发展，因此都没有时间来仔细考虑工厂尺度的自动化或者标准。自动化程度的高低在一定层面上将会决定谁才是生产成本最低的制造商，并且经过精心设计且高效运转的自动化工厂系统可以简单的复制到随后的工厂中，并迅速开始盈利。目前，并没有相关的知识产权来保护设备之间通讯方式领域的IP。因此，工程师们只要在当前可行的解决方案中选择一个即可，其会将大部分精力投注到可以为公司带来竞争优势的领域。他认为：“所有工厂最终都会进入自动化，但是整个市场中只有那些最优秀的制造商才能生产出性能最高的电池单元或者实现最佳性价比的产品。”

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