利用自動化幫助降低太陽能電池的制造成本

太陽能電池領域的從業者一直都會認為，工藝集成與自動化是降低成本的關鍵因素，但是如何才能最好的實施工藝集成卻存在眾多分歧。

　　目前，工藝集成和自動化還僅僅局限在分立或者聚集機臺，并且設備之間的通訊方式也隨制造廠商的不同而各異。工廠自動化軟件供應商The Peer Group（Kitchener, Ontario）公司的區域銷售經理John Hennessy表示：“事實上，目前使用的太陽能電池工藝集成方法比廠商數量還要多。據我所知，光伏產品制造商有很多方法來傳輸數據以及監控在線產品的進度。在某些情況下，會使用整體設計方案，而其它一些則是由孤立自動化設備拼湊而成。即使對于MES，也沒有達成實際的共識——最近我們正在幫助客戶對一系列備選MES方案進行篩選，讓人吃驚的是，這些備選方案之間幾乎不存在共同點。”

　　量產階段，設備之間數據交換的時間有時會存在長達幾個月的延遲。實際上，VLSI Research Inc. （英國，Bedford）所羅列的頂級PV產品制造商已經達成了一個初步共識：來自單一供貨商的全部包建生產線是一個解決設備之間數據交換問題的備選方案。10家最大的太陽能產品制造商中的8家都開始使用具備一定自動化程度的單晶硅或者薄膜太陽能產品全包建生產線。

　　根據供應商的報道，絕大對數新廠都傾向于購買全部包建的系統，并且其產量通常都在50 MW以上，從生產線建立之初就已經完成生產自動化。而現有的PV產品制造商生產規模通常在25 MW左右，并且通過不斷新增工藝設備來進一步提高產量，這些廠商也在尋求實現核心工藝，諸如：層壓、引線以及裝框等，自動化的解決方案，以縮小與新型全自動化工廠之間的成本差距。

　　3S Swiss Solar Systems（瑞士，Lyss）公司的CEO Patrick Hofer-Noser表示：“雖然太陽能電池模塊銷售價格不斷的下降，但是如果能夠保持全天候運轉，可以使非全自動化生產線設備利用率提高到70%，全自動化設備生產線設備利用率提高到接近100%。在這種情況下，設備開銷與產品附加值相比所占的比例并不是很高。”

　　Hofer-Noser創建的3S公司主要關注于集成化太陽能設備的開發，他認為3S公司資深工程師所開發的層壓機性能要優于市場上其它供貨商所提供的設備。隨后，他將該層壓機集成到半自動的太陽能模塊生產線上，并將其整體出售給客戶。Hofer-Noser表示：“我們先后兩次為自己公司設計的生產線，最終都出售給了客戶。”最后，公司的經營方向轉為集成工藝自動化生產線設計。隨后，我們先后兼并了Somont公司的層壓設備業務和Pasan公司的測試設備業務，以更好的完成整體生產線的集成。

　　開動自動化設備和封裝機器人

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圖1. ABB集團（蘇黎世）采用六軸機器設備結合不同類別的鑷子應用于太陽能模塊制造領域。

　　將應用于其它行業的自動化設備移植到單晶硅太陽能產品生產線使其自動化程度前進了許多。隨著對新型自動化生產線投資熱情的減弱，諸如ABB Group（瑞士，蘇黎世）和KUKA（德國，Augsburg）這樣的自動化設備供貨商向新興的太陽能產品領域額投入更多的精力。ABB公司的六軸機器設備僅需要添加額外的鑷子或者吸盤以及一些新的控制程序，便可以對硅片進行操作，其可以應用于太陽能模塊生產過程中的標準工藝過程，例如：修邊、引線、裝框以及安裝等。

　　作為一家大型自動化系統供應商，ABB并沒有進入太陽能產品制造領域的計劃，而是選擇將設備賣給Jonas & Spire Solar這樣的太陽能生產線廠商，讓其完成生產線的集成。ABB公司的Keith Fox目前負責美國太陽能產品制造市場內的業務拓展，其表示：“ABB的自動化設備在很多工業領域已經應用了很長一段時間，通過嵌入額外的通訊模塊，便可以完成與其它設備之間的數據交互。”

　　Conergy AG在德國法蘭克福的250 MW太陽能電池模塊制造廠使用ABB公司的六軸自動設備進行預清潔工藝，每20秒便可以完成220 Wp模塊中的引線、修邊、裝框以及攪拌等工藝。四臺裝備有圖像處理功能的機器設備可以代替30～40個操作人員，來從事諸如引線這樣的勞動密集型生產工藝，并保持更高精度的重復性。但是即使這樣大型的自動化工廠以全天候運轉，某些工藝，諸如：背面層壓，修編后的密封等工藝，還需要人工完成。

　　單晶硅太陽能電池在不同工藝設備之間的移動是通過平行取置機械設備完成的，該設備類似封裝工藝中所使用的快速取置的機械手，能夠以每分鐘150次的頻率進行抓取。2007年在德國Thalheim興建的Q-Cell 240 MWp生產線，安裝了36臺ABB公司的FlexPicker用于負責向濕法工藝設備傳遞以及傳出硅片。其他方面的應用主要包括向測試以及分類設備傳遞硅片。

　　太陽能產業自動化設備的二次開發

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圖2. Adept Technology為太陽能產品制造領域開發的取置自動化設備。

　　除了單純使用自動化設備代替手動工藝以外，太陽能產業內還對自動化設備進行二次開發，使其更有效地集成到工藝步驟當中。具有多種自動化設備產品線的Adept Technology（加州，Pleasanton）公司也將其開發的懸空平行取置自動化設備Quattro定位在太陽能產品制造領域，并且其還專門嵌入了太陽能硅片缺陷監測系統。

　　Adept Technology公司改進了嵌入式圖像處理模塊的分辨率，因此機械手不僅能夠定位硅片，以及檢測硅片上諸如缺角之類的較大缺陷，還能夠檢測硅片上的微小劃痕。Adept公司的市場咨詢師Peter Lundquist表示：“自動設備和檢測設備需要能夠集成在一起，但生產設備以滿負荷運轉時，檢測設備也要能夠滿足產品檢測的需要。太陽能產品自動化生產線的目標是實現100%的產品檢測覆蓋率，并且不能因此降低生產線的生產效率。”

　　他表示：盡管提高檢測設備的分辨率很重要，但是控制系統的優劣以及設備間通訊的方式才是關鍵。公司計劃通過生產線承包商來負責出售設備，并幫助進行新設備的評估。CEO John在Adept公司最近一次電話會議上對行業分析人員表示：目前，與生產線承包商之間的洽談還未開始，Quattro檢測系統正處于評估階段。公司計劃開始設計機臺面向下一個投資高峰。

　　Lundquist表示：前段工藝是最重要的第一檢測點，這樣太陽能產品廠商才能對未來產品有一定的了解。產品檢測并不僅僅針對微裂痕，任何襯底上都可能存在的一定程度的缺陷，而是研究這些缺陷在加工工藝中的生長過程以及對良率的影響。

　　Hofer-Noser表示：3S正在試圖重新考量其今年8月推出的集成自動化模塊生產線。將布局與引線中的某一步驟去除，即取消在玻璃和EVA表面開孔將“三明治”夾層模塊引出的常規工藝，從而降低了由此造成的破損情況。相反，在器件制造工藝后，采用傳感器來獲取接觸孔位置，然后從背面開孔完成引線連接。同樣的情況也適用于在修邊工藝，傳統方法采用照相設備通過分析反射性能的不同來檢測邊緣信息，而新的集成工藝則在器件加工之前即在襯底邊緣做記號，工藝后，僅需要找到事先做好的記號便可以獲取襯底邊緣的位置，從而節省了工藝周期。加工好的電池模塊隨后進行光學檢測，電性能測試以及全面的電流電壓曲線的測試。

　　太陽能產品在生產設備之間的傳遞是通過一些桶裝機械設備配以傳送帶完成的，通過自動化設備控制軟件來完成在線檢測以及產品追蹤。Hofer-Noser表示：公司盡可能避免使用六軸機械設備，多軸同時意味著不確定性的提高。今年二月，公司已經將首款集成自動設備，封裝流程中使用的層壓機，出售給德國的客戶，。

　　工藝集成有助于降低成本

　　考慮到工藝集成全包建生產線生產效率的極限，Centrotherm Photovoltaics（德國，Blaubeuren）公司認為同一家公司完成產業鏈的縱向集成——從多晶硅到最終的電池模塊——將會是太陽能電池產品的成本得到大幅降低。在與行業分析師討論的電話會議上，CTO Peter Fath表示不僅要降低銷售、運輸以及來料/出貨檢查的成本，更好的工藝集成方案以及公司內部的迅捷反應可以優化產品的良率，并且將單一工廠的管理系統延伸到整條產業鏈，從而改善統籌管理。

　　盡管還未完成所有的技術開發，Centrotherm計劃提供大型全包建生產線的解決方案。公司首先提供模塊和多晶硅制造設備給客戶，并且隨時關注其它自動化設備，例如：化學刻蝕、濕法清洗以及模塊組裝。

　　自從今年初提出該方案后，陸續已經有五家客戶開始對其進行評估并開始協商，一些客戶計劃投資2億8千萬美元來興建產量達到60 MW的全縱向集成生產線，另外還有一些客戶對于產業鏈中某幾個步驟表示了興趣。

　　靈活的生產線有助于提高競爭力

　　出于提高太陽能電池的效率以及改善模塊良率的考慮，對于靈活性高的生產線的需求也在不斷升高。相對于使用相同配置的全包建生產線的廠商而言，這種靈活性高的生產線可以提高自身的競爭力。

　　3S公司的Hofer-Noser表示：“客戶對我們提出了許多不同方面的要求。”一些客戶歡迎SEM-10標準，盡管這些SEMI標準對于電池單元的制造很有幫助，但是其對模塊領域限制過多，而模塊領域與自動設備和玻璃領域存在更多的相關性。他表示：“我們正在和用戶討論尺寸標準如何制定才能夠使封裝技術得到最大限度的簡化。但是如果某個客戶所使用的反應腔能夠加工更大尺寸的襯底，將會贏得生產效率上的優勢，我們都很清楚相對于設備成本而言，生產效率才是更為重要的驅動因素。因此，有時我們的客戶會要求我們能夠處理僅比標準襯底大5 cm的襯底。”

　　Peer Group的Hennessy表示：最近幾年，PV工業正以驚人的速度發展，因此都沒有時間來仔細考慮工廠尺度的自動化或者標準。自動化程度的高低在一定層面上將會決定誰才是生產成本最低的制造商，并且經過精心設計且高效運轉的自動化工廠系統可以簡單的復制到隨后的工廠中，并迅速開始盈利。目前，并沒有相關的知識產權來保護設備之間通訊方式領域的IP。因此，工程師們只要在當前可行的解決方案中選擇一個即可，其會將大部分精力投注到可以為公司帶來競爭優勢的領域。他認為：“所有工廠最終都會進入自動化，但是整個市場中只有那些最優秀的制造商才能生產出性能最高的電池單元或者實現最佳性價比的產品。”

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