利用自動(dòng)化幫助降低太陽能電池的制造成本

太陽能電池領(lǐng)域的從業(yè)者一直都會(huì)認(rèn)為，工藝集成與自動(dòng)化是降低成本的關(guān)鍵因素，但是如何才能最好的實(shí)施工藝集成卻存在眾多分歧。

　　目前，工藝集成和自動(dòng)化還僅僅局限在分立或者聚集機(jī)臺(tái)，并且設(shè)備之間的通訊方式也隨制造廠商的不同而各異。工廠自動(dòng)化軟件供應(yīng)商The Peer Group（Kitchener, Ontario）公司的區(qū)域銷售經(jīng)理John Hennessy表示：“事實(shí)上，目前使用的太陽能電池工藝集成方法比廠商數(shù)量還要多。據(jù)我所知，光伏產(chǎn)品制造商有很多方法來傳輸數(shù)據(jù)以及監(jiān)控在線產(chǎn)品的進(jìn)度。在某些情況下，會(huì)使用整體設(shè)計(jì)方案，而其它一些則是由孤立自動(dòng)化設(shè)備拼湊而成。即使對(duì)于MES，也沒有達(dá)成實(shí)際的共識(shí)——最近我們正在幫助客戶對(duì)一系列備選MES方案進(jìn)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(diǎn)。”

　　量產(chǎn)階段，設(shè)備之間數(shù)據(jù)交換的時(shí)間有時(shí)會(huì)存在長(zhǎng)達(dá)幾個(gè)月的延遲。實(shí)際上，VLSI Research Inc. （英國，Bedford）所羅列的頂級(jí)PV產(chǎn)品制造商已經(jīng)達(dá)成了一個(gè)初步共識(shí)：來自單一供貨商的全部包建生產(chǎn)線是一個(gè)解決設(shè)備之間數(shù)據(jù)交換問題的備選方案。10家最大的太陽能產(chǎn)品制造商中的8家都開始使用具備一定自動(dòng)化程度的單晶硅或者薄膜太陽能產(chǎn)品全包建生產(chǎn)線。

　　根據(jù)供應(yīng)商的報(bào)道，絕大對(duì)數(shù)新廠都傾向于購買全部包建的系統(tǒng)，并且其產(chǎn)量通常都在50 MW以上，從生產(chǎn)線建立之初就已經(jīng)完成生產(chǎn)自動(dòng)化。而現(xiàn)有的PV產(chǎn)品制造商生產(chǎn)規(guī)模通常在25 MW左右，并且通過不斷新增工藝設(shè)備來進(jìn)一步提高產(chǎn)量，這些廠商也在尋求實(shí)現(xiàn)核心工藝，諸如：層壓、引線以及裝框等，自動(dòng)化的解決方案，以縮小與新型全自動(dòng)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(jià)格不斷的下降，但是如果能夠保持全天候運(yùn)轉(zhuǎn)，可以使非全自動(dòng)化生產(chǎn)線設(shè)備利用率提高到70%，全自動(dòng)化設(shè)備生產(chǎn)線設(shè)備利用率提高到接近100%。在這種情況下，設(shè)備開銷與產(chǎn)品附加值相比所占的比例并不是很高。”

　　Hofer-Noser創(chuàng)建的3S公司主要關(guān)注于集成化太陽能設(shè)備的開發(fā)，他認(rèn)為3S公司資深工程師所開發(fā)的層壓機(jī)性能要優(yōu)于市場(chǎng)上其它供貨商所提供的設(shè)備。隨后，他將該層壓機(jī)集成到半自動(dòng)的太陽能模塊生產(chǎn)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(shè)計(jì)的生產(chǎn)線，最終都出售給了客戶。”最后，公司的經(jīng)營方向轉(zhuǎn)為集成工藝自動(dòng)化生產(chǎn)線設(shè)計(jì)。隨后，我們先后兼并了Somont公司的層壓設(shè)備業(yè)務(wù)和Pasan公司的測(cè)試設(shè)備業(yè)務(wù)，以更好的完成整體生產(chǎn)線的集成。

　　開動(dòng)自動(dòng)化設(shè)備和封裝機(jī)器人

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圖1. ABB集團(tuán)（蘇黎世）采用六軸機(jī)器設(shè)備結(jié)合不同類別的鑷子應(yīng)用于太陽能模塊制造領(lǐng)域。

　　將應(yīng)用于其它行業(yè)的自動(dòng)化設(shè)備移植到單晶硅太陽能產(chǎn)品生產(chǎn)線使其自動(dòng)化程度前進(jìn)了許多。隨著對(duì)新型自動(dòng)化生產(chǎn)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(dòng)化設(shè)備供貨商向新興的太陽能產(chǎn)品領(lǐng)域額投入更多的精力。ABB公司的六軸機(jī)器設(shè)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(duì)硅片進(jìn)行操作，其可以應(yīng)用于太陽能模塊生產(chǎn)過程中的標(biāo)準(zhǔn)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(dòng)化系統(tǒng)供應(yīng)商，ABB并沒有進(jìn)入太陽能產(chǎn)品制造領(lǐng)域的計(jì)劃，而是選擇將設(shè)備賣給Jonas & Spire Solar這樣的太陽能生產(chǎn)線廠商，讓其完成生產(chǎn)線的集成。ABB公司的Keith Fox目前負(fù)責(zé)美國太陽能產(chǎn)品制造市場(chǎng)內(nèi)的業(yè)務(wù)拓展，其表示：“ABB的自動(dòng)化設(shè)備在很多工業(yè)領(lǐng)域已經(jīng)應(yīng)用了很長(zhǎng)一段時(shí)間，通過嵌入額外的通訊模塊，便可以完成與其它設(shè)備之間的數(shù)據(jù)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(dòng)設(shè)備進(jìn)行預(yù)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(tái)裝備有圖像處理功能的機(jī)器設(shè)備可以代替30～40個(gè)操作人員，來從事諸如引線這樣的勞動(dòng)密集型生產(chǎn)工藝，并保持更高精度的重復(fù)性。但是即使這樣大型的自動(dòng)化工廠以全天候運(yùn)轉(zhuǎn)，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(shè)備之間的移動(dòng)是通過平行取置機(jī)械設(shè)備完成的，該設(shè)備類似封裝工藝中所使用的快速取置的機(jī)械手，能夠以每分鐘150次的頻率進(jìn)行抓取。2007年在德國Thalheim興建的Q-Cell 240 MWp生產(chǎn)線，安裝了36臺(tái)ABB公司的FlexPicker用于負(fù)責(zé)向濕法工藝設(shè)備傳遞以及傳出硅片。其他方面的應(yīng)用主要包括向測(cè)試以及分類設(shè)備傳遞硅片。

　　太陽能產(chǎn)業(yè)自動(dòng)化設(shè)備的二次開發(fā)

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圖2. Adept Technology為太陽能產(chǎn)品制造領(lǐng)域開發(fā)的取置自動(dòng)化設(shè)備。

　　除了單純使用自動(dòng)化設(shè)備代替手動(dòng)工藝以外，太陽能產(chǎn)業(yè)內(nèi)還對(duì)自動(dòng)化設(shè)備進(jìn)行二次開發(fā)，使其更有效地集成到工藝步驟當(dāng)中。具有多種自動(dòng)化設(shè)備產(chǎn)品線的Adept Technology（加州，Pleasanton）公司也將其開發(fā)的懸空平行取置自動(dòng)化設(shè)備Quattro定位在太陽能產(chǎn)品制造領(lǐng)域，并且其還專門嵌入了太陽能硅片缺陷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

　　Adept Technology公司改進(jìn)了嵌入式圖像處理模塊的分辨率，因此機(jī)械手不僅能夠定位硅片，以及檢測(cè)硅片上諸如缺角之類的較大缺陷，還能夠檢測(cè)硅片上的微小劃痕。Adept公司的市場(chǎng)咨詢師Peter Lundquist表示：“自動(dòng)設(shè)備和檢測(cè)設(shè)備需要能夠集成在一起，但生產(chǎn)設(shè)備以滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，檢測(cè)設(shè)備也要能夠滿足產(chǎn)品檢測(cè)的需要。太陽能產(chǎn)品自動(dòng)化生產(chǎn)線的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)100%的產(chǎn)品檢測(cè)覆蓋率，并且不能因此降低生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率。”

　　他表示：盡管提高檢測(cè)設(shè)備的分辨率很重要，但是控制系統(tǒng)的優(yōu)劣以及設(shè)備間通訊的方式才是關(guān)鍵。公司計(jì)劃通過生產(chǎn)線承包商來負(fù)責(zé)出售設(shè)備，并幫助進(jìn)行新設(shè)備的評(píng)估。CEO John在Adept公司最近一次電話會(huì)議上對(duì)行業(yè)分析人員表示：目前，與生產(chǎn)線承包商之間的洽談還未開始，Quattro檢測(cè)系統(tǒng)正處于評(píng)估階段。公司計(jì)劃開始設(shè)計(jì)機(jī)臺(tái)面向下一個(gè)投資高峰。

　　Lundquist表示：前段工藝是最重要的第一檢測(cè)點(diǎn)，這樣太陽能產(chǎn)品廠商才能對(duì)未來產(chǎn)品有一定的了解。產(chǎn)品檢測(cè)并不僅僅針對(duì)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(zhǎng)過程以及對(duì)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(dòng)化模塊生產(chǎn)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(guī)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(tǒng)方法采用照相設(shè)備通過分析反射性能的不同來檢測(cè)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(hào)，工藝后，僅需要找到事先做好的記號(hào)便可以獲取襯底邊緣的位置，從而節(jié)省了工藝周期。加工好的電池模塊隨后進(jìn)行光學(xué)檢測(cè)，電性能測(cè)試以及全面的電流電壓曲線的測(cè)試。

　　太陽能產(chǎn)品在生產(chǎn)設(shè)備之間的傳遞是通過一些桶裝機(jī)械設(shè)備配以傳送帶完成的，通過自動(dòng)化設(shè)備控制軟件來完成在線檢測(cè)以及產(chǎn)品追蹤。Hofer-Noser表示：公司盡可能避免使用六軸機(jī)械設(shè)備，多軸同時(shí)意味著不確定性的提高。今年二月，公司已經(jīng)將首款集成自動(dòng)設(shè)備，封裝流程中使用的層壓機(jī)，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(chǎn)線生產(chǎn)效率的極限，Centrotherm Photovoltaics（德國，Blaubeuren）公司認(rèn)為同一家公司完成產(chǎn)業(yè)鏈的縱向集成——從多晶硅到最終的電池模塊——將會(huì)是太陽能電池產(chǎn)品的成本得到大幅降低。在與行業(yè)分析師討論的電話會(huì)議上，CTO Peter Fath表示不僅要降低銷售、運(yùn)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(nèi)部的迅捷反應(yīng)可以優(yōu)化產(chǎn)品的良率，并且將單一工廠的管理系統(tǒng)延伸到整條產(chǎn)業(yè)鏈，從而改善統(tǒng)籌管理。

　　盡管還未完成所有的技術(shù)開發(fā)，Centrotherm計(jì)劃提供大型全包建生產(chǎn)線的解決方案。公司首先提供模塊和多晶硅制造設(shè)備給客戶，并且隨時(shí)關(guān)注其它自動(dòng)化設(shè)備，例如：化學(xué)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(xù)已經(jīng)有五家客戶開始對(duì)其進(jìn)行評(píng)估并開始協(xié)商，一些客戶計(jì)劃投資2億8千萬美元來興建產(chǎn)量達(dá)到60 MW的全縱向集成生產(chǎn)線，另外還有一些客戶對(duì)于產(chǎn)業(yè)鏈中某幾個(gè)步驟表示了興趣。

　　靈活的生產(chǎn)線有助于提高競(jìng)爭(zhēng)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(duì)于靈活性高的生產(chǎn)線的需求也在不斷升高。相對(duì)于使用相同配置的全包建生產(chǎn)線的廠商而言，這種靈活性高的生產(chǎn)線可以提高自身的競(jìng)爭(zhēng)力。

　　3S公司的Hofer-Noser表示：“客戶對(duì)我們提出了許多不同方面的要求。”一些客戶歡迎SEM-10標(biāo)準(zhǔn)，盡管這些SEMI標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于電池單元的制造很有幫助，但是其對(duì)模塊領(lǐng)域限制過多，而模塊領(lǐng)域與自動(dòng)設(shè)備和玻璃領(lǐng)域存在更多的相關(guān)性。他表示：“我們正在和用戶討論尺寸標(biāo)準(zhǔn)如何制定才能夠使封裝技術(shù)得到最大限度的簡(jiǎn)化。但是如果某個(gè)客戶所使用的反應(yīng)腔能夠加工更大尺寸的襯底，將會(huì)贏得生產(chǎn)效率上的優(yōu)勢(shì)，我們都很清楚相對(duì)于設(shè)備成本而言，生產(chǎn)效率才是更為重要的驅(qū)動(dòng)因素。因此，有時(shí)我們的客戶會(huì)要求我們能夠處理僅比標(biāo)準(zhǔn)襯底大5 cm的襯底。”

　　Peer Group的Hennessy表示：最近幾年，PV工業(yè)正以驚人的速度發(fā)展，因此都沒有時(shí)間來仔細(xì)考慮工廠尺度的自動(dòng)化或者標(biāo)準(zhǔn)。自動(dòng)化程度的高低在一定層面上將會(huì)決定誰才是生產(chǎn)成本最低的制造商，并且經(jīng)過精心設(shè)計(jì)且高效運(yùn)轉(zhuǎn)的自動(dòng)化工廠系統(tǒng)可以簡(jiǎn)單的復(fù)制到隨后的工廠中，并迅速開始盈利。目前，并沒有相關(guān)的知識(shí)產(chǎn)權(quán)來保護(hù)設(shè)備之間通訊方式領(lǐng)域的IP。因此，工程師們只要在當(dāng)前可行的解決方案中選擇一個(gè)即可，其會(huì)將大部分精力投注到可以為公司帶來競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的領(lǐng)域。他認(rèn)為：“所有工廠最終都會(huì)進(jìn)入自動(dòng)化，但是整個(gè)市場(chǎng)中只有那些最優(yōu)秀的制造商才能生產(chǎn)出性能最高的電池單元或者實(shí)現(xiàn)最佳性價(jià)比的產(chǎn)品。”

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