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金刚线切割后的多晶技术在硅片端的发展方向
来源:www.elmodelmo.com 发布时间:2018-08-03

2016年至今,金刚线切割已经在多晶领域得到充分利用,目前国内几家大的切片公司几乎90%的多晶切片都是金刚线切割,但面对平价上网的大趋势,如何进一步发挥多晶电池的高性价比优势,增强多晶硅太阳电池路线的竞争力受到业界的普遍关注。保利协鑫科技管理部总经理汪晨博士在10月18日的中国光伏大会上基于保利协鑫金刚线切多晶硅片及湿法黑硅制绒进展,分析了金刚线切单晶/多晶硅片的发展变化及存在的问题,并根据多年从业经验从硅片端指出未来的技术走向。

    
金刚线切单晶/多晶硅片变化趋势
从2011年单晶尝试使用金刚线切割开始,仅用了四年的时间,2015年底国内单晶产能几乎全部实现金刚线的应用。

相比之下,多晶领域是在2012年开始研究金刚线的应用,直到2015年砂线机改造及切片才取得突破,为大规模应用奠定了基础;2016年结合添加剂/黑硅技术,金刚线切片产能渗透率大幅上升;汪晨博士做出预测,2018年全行业金刚线切多晶产能将达90%以上。

从汪晨博士对比的金刚线硅片和砂线硅片可以看出:切割损耗是大幅度降低的,同时切片的进始速度也是大幅提升,产能基本上翻了一倍。虽然切片良率金刚线偏低,但良率低并不意味着出片数低,从出片数看金刚线切割高于砂线,因为金刚线表面比较光滑,它切割的时候损伤率更浅,所以它的TTV和损伤层下降,加工成本方面两个相差0.25元/片,但实际上包含硅耗在内的垂直成本差距达0.5元/片以上。


    
金刚线的挑战
金刚线的应用虽然给光伏行业带来机遇与进步,但也面临着挑战。早期应用的金刚线线径是120μm,到目前为止多晶已经大规模应用70μm线径的金刚线。单晶方面,60μm、65μm线切的金刚线正在更快得推广,最终可达到60甚至55μm。在汪晨博士看来,多晶也会紧跟着把线径降低。对此,金刚线本身的发展方向是高圆度即良好的线外径等效圆度、高耐磨即良好的自锐性、高密度即更多、更均匀的金刚石颗粒、低线径即更低的切割损耗、低断线即更好的抗扭转耐疲劳性能。

硅片切片用金刚线有电镀线和树脂线,现阶段,电镀线占绝对统治地位。汪晨博士指出,后续树脂线可能会慢慢淡出,但树脂线也有机会通过技术改造降低与电镀线的差距,所以其不会完全被淘汰。

    
金刚线多晶片的酸制绒问题
切割以后的多晶片在应用时主要存在的是酸制绒的问题,汪晨博士展示了金刚线和砂浆线制绒的形貌差异,金刚线酸制绒的表面特点是:损伤层浅、光亮表面的沟壑式结构。这使得它在具有VOC提升、钝化效果优、线痕浅、断栅风险低等优点的同时,也有起绒点少、表面陷光差、绒面均匀性差等难以避免的缺点。


    
金刚线多晶硅片的制绒解决方案
目前金刚线多晶硅片的制绒解决方案有三个方向:制绒添加剂、湿法黑硅、干法黑硅。干法黑硅做出来效果最好,但其显著缺点是设备投入太大,还需要前后道设备的配合。其提升效率大概在0.4-0.6%,但单片成本稍高,为0.3-0.4元/片;
湿法黑硅电池效率提升0.3-0.5%,相对干法投入成本少,湿法黑硅技术的单片成本约为0.15-0.2元/片,仅为干法黑硅的一半左右,目前占市场份额比较大;与湿法黑硅技术相比,制绒添加剂法虽然也可解决金刚线切多晶硅片的制绒问题,但其外观表面有晶花,且对电池效率没有任何提升,电池效率甚至较砂线切割硅片略低,因此综合性价比不高

    
协鑫湿法黑硅技术发展历程
汪晨博士回顾到,保利协鑫从2013年10月开始湿法黑硅实验室的建设,2015年5月完成实验室小试,12月份开始一条中试线投产,到2016年10月量产机设计完成,最终于2017年2月份在扬州正式投产其黑硅电池片生产线。2017年6月,扬州工厂产能达到300MW;10月,2GW(20条线)项目落成,预计11月份可以全部达产。

    
协鑫湿法黑硅电池
汪晨博士为保利协鑫的产品感到自豪,“采用保利协鑫‘鑫绒面’技术制备的黑硅片,硅片表面孔型结构更优、电池转化效率更高、工艺稳定性好,产品外观无晶花困扰,整体绒面均匀。保利协鑫多晶黑硅片提升下游电池转化效率0.3-0.5%,可以为下游客户提供表面均匀、无晶花的完美黑硅技术。”

汪晨博士表示,据多家电池客户批量反馈,TS系列黑硅片普遍可实现0.3%以上的电池效率提升,部分客户小批量电池效率增益超过0.35%,叠加PERC后效率增益(较多晶普通PERC)超过0.4%。

    
协鑫湿法黑硅技术下的多晶组件
采用保利协鑫黑硅片制备的组件,不仅组件外观更美观,其功率增益也比较明显,常规电池工艺下的湿法黑硅组件可达到280Wp以上。

由于“背钝化”和“黑硅陷光”的结合,多晶黑硅叠加PERC技术后的效率提升比单纯使用黑硅、PERC的效率增益之和还要高,起到了“1+1>2”的效果。综合可知,金刚线切多晶硅片+湿法黑硅+PERC组合可以显著提升多晶产品的性价,为285-290Wp/60片多晶组件的制备提供了可靠技术途径。

与砂线切+普通电池工艺的单位成本(单位:元/瓦)相比,金刚线切多晶+湿法黑硅+PERC的电池制造成本仅为其92.7%,而金刚线切多晶+添加剂制绒+PERC则为其93.5%,金刚线切多晶+湿法黑硅+PERC组合提升了性价比。

汪晨博士认为,虽然金刚线切割技术、湿法黑硅技术具有很大潜力,但后续多晶技术也不完全只依赖于此,在晶体生长环节还要持续进步。

    
晶体生长环节持续进步

下一代高效多晶产品开发
保利协鑫研发团队的小试实验显示:基于黑硅+PERC工艺,试验片在客户端电池产线效率可达20.45%以上,60片电池的组件主流档位可达290W以上。后续需要进行的,一方面是晶体生长工艺的持续研发改进,控制长晶后期的位错增值,提升一定的质量。另外一方面是配合PERC工艺,确定最佳目标电阻率以及电阻率范围。

类单晶技术方向持续研发
保利协鑫为类单晶的技术进步已经投入了数年的精力和巨大的研发费用。客户端反映,类单晶采用单晶碱制绒,效率与直拉单晶相比差距约为0.6%,但在效率分布上,其低效比例高达3.2%(<19.2%),这是需要后期持续改进的。另外也存在铸锭单晶或者类单晶在生产阶段位错增殖过快,控制难度高;铸锭良率偏低;电池外观存在晶花等问题需要解决。
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从汪晨博士的分析可以总结成以下几个要点:

1、金刚线切割多晶硅片+黑硅技术的普及将再次拉大多晶与单晶在硅片端的成本差距;
2、金刚线切多晶硅片+黑硅技术+PERC电池工艺的组合可以进一步提升多晶硅电池的量产效率,增强多晶硅太阳电池路线的竞争力;
3、预计光伏市场对电池及组件成本降低以及效率提升方面的需求,将为金刚线切割和黑硅技术带来良好的市场机遇;
4、铸锭技术的持续进步,可持续提升多晶硅片尤其是金刚线多晶硅片的性价比。
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