單晶硅片切割技術(shù)發(fā)展趨勢分析

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1.前言

一元復(fù)始，萬象更新。光伏，一個技術(shù)驅(qū)動型的行業(yè)，技術(shù)革新是永恒不變的主題。硅片環(huán)節(jié)處于光伏產(chǎn)業(yè)鏈的中上游，不僅接上游硅料的發(fā)展，還為下游電池、組件的技術(shù)革新與效率提升提供原材料方案。此外，硅片在整個組件的成本結(jié)構(gòu)占比也很大，硅片的降本占據(jù)了光伏產(chǎn)業(yè)的重頭，為光伏的平價上網(wǎng)貢獻(xiàn)良多。錦州陽光能源作為以單晶硅起家的至今發(fā)展20年的一家老牌全產(chǎn)業(yè)鏈光伏上市企業(yè)，在遼寧錦州、青海西寧、云南曲靖、江蘇鹽城擁有四大生產(chǎn)基地，形成了12GW從拉晶到組件的全產(chǎn)業(yè)鏈。在過去的5年時間里，聯(lián)合行業(yè)內(nèi)四家企業(yè)統(tǒng)一了單晶M2產(chǎn)品規(guī)格、又將首創(chuàng)M3產(chǎn)品大批量用于國內(nèi)外客戶電站，較早完成了金剛線切對砂漿切的全部替代，使老產(chǎn)能具備了新的生命力，更使得效率、質(zhì)量大幅提升，成本大幅度下降。站在2020年這個起始之年，從全產(chǎn)鏈出發(fā)、放眼未來5年，硅片又將如何演變創(chuàng)造新的篇章。

2.未來光伏產(chǎn)業(yè)鏈對硅片需求

2.1硅片變薄

硅片薄片化，不僅有效減少硅材料消耗，而且薄片化所體現(xiàn)出的硅片柔韌性也給電池、組件端帶來了更多的可能性。硅片薄片化除了受切片環(huán)節(jié)設(shè)備、金剛線、工藝等的制約，也隨后道電池、組件技術(shù)的需求變化。如：異質(zhì)結(jié)電池（HIT）的對稱結(jié)構(gòu)、低溫或無應(yīng)力制程完全可以適應(yīng)更薄的硅片，而且其效率不受厚度影響，即使減薄到100μm左右，依賴超低表面復(fù)合，短路電流Isc的損失可以通過開路電壓Voc得到補償。

薄片的切割，需要對切片設(shè)備及切割工藝提出更高的要求。需要實現(xiàn)高線速條件下更高的切割穩(wěn)定性；切削液系統(tǒng)需要有更好導(dǎo)入，起到冷卻、潤滑、排屑作用；金剛線需要有更好的顆粒均勻性以及更好的切削能力。其他插片機(jī)、清洗機(jī)、分選機(jī)也需要相應(yīng)優(yōu)化。在切割工藝端，超薄片更易表現(xiàn)出彎曲、以及進(jìn)刀收刀的邊緣翹曲，因此需要在工藝端與設(shè)備、金剛線有更好的匹配度。

目前，單晶硅片量產(chǎn)厚度在170~180μm，陽光能源和部分企業(yè)已具備單晶140μm的切割技術(shù)，在陽光能源和日本夏普合作的N型晶棒業(yè)務(wù)中，N型硅片實際厚度可以做到100-120μm,韌性十足。由于受制于電池和組件技術(shù)發(fā)展，預(yù)計硅片厚度的變化趨勢如下圖1所示。

圖12016-2025年硅片厚度變化趨勢

2.2硅片變大

未來光伏產(chǎn)業(yè)鏈對硅片的另一個重要需求，即大尺寸硅片，這幾乎已成為行業(yè)不爭的事實?；诋a(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)設(shè)備、人力投入不變的前提下，硅片尺寸的增大，增加了從硅片、電池、組件到電站等各環(huán)節(jié)的產(chǎn)能輸出與利益收入，因此相當(dāng)于側(cè)面攤銷了部分人工、折舊、水電氣、施工等成本投入。目前，市場上156.75mm（M2）、158.75mm （G1）、166mm（M6） 、 210mm（G12）等多款尺寸共存。2020年陽光能源將重點圍繞166硅片推出系列全新產(chǎn)品。

大尺寸硅片的推廣在切片端，主要體現(xiàn)在切割設(shè)備對大尺寸硅棒的兼容，目前市場上已有的金剛線專用切片機(jī)都無法適用于G12大硅片。此外，大尺寸與薄片化二者存在一定對立，大尺寸硅片在切割薄片化上對切片機(jī)、金剛線及切割工藝提出了更高的要求，減少碎片、TTV、線痕，以及大尺寸薄片可能產(chǎn)生的彎曲與翹曲。

2.3硅片變形

目前，行業(yè)將硅片尺寸分成方形和準(zhǔn)方形兩種，方形硅片、準(zhǔn)方形硅片示意圖分別如圖2和圖3所示。

2020年，隨著硅料成本、拉晶成本的不斷下降以及單晶硅片的產(chǎn)能過剩，也將加速方單晶硅片標(biāo)準(zhǔn)在行業(yè)的推廣。表中看出M2、G1、M6方單晶硅片較準(zhǔn)方單晶硅片面積分別增加了0.56%、0.85%、0.50%。方單晶的最大優(yōu)勢是可以增加組件的效率，還可以解決準(zhǔn)方片在半片組件串間距處形成不規(guī)則形狀的問題，使組件更加美觀。

表1 方片與準(zhǔn)方片對比

方單晶生產(chǎn)，在切片粘棒環(huán)節(jié)需要對樹脂板規(guī)格以及用膠量進(jìn)行調(diào)整，切割工藝方面主要是進(jìn)刀及收刀位置的微小工藝優(yōu)化?？傮w來說對切片環(huán)節(jié)影響較小。

3.未來金剛線切割硅片自身發(fā)展維度

3.1投資成本下降

（1）高線速高產(chǎn)能使得單GW投資額減少

在硅材料的切割過程中，材料去除方式主要表現(xiàn)為脆性斷裂切除和塑性變形切除。脆性斷裂切除在硅材料的切割頂端會產(chǎn)生裂紋，產(chǎn)生的裂紋會使硅片表面損傷增加；而塑性變形切除是將硅棒在塑性區(qū)域內(nèi)切除。

根據(jù)斷裂力學(xué)理論以及硅材料的特性，當(dāng)金剛石磨粒的最大切削深度大于硅材料的臨界切割深度時，將發(fā)生塑性切除向脆性斷裂切除的過渡。因此，在金剛線承載允許范圍內(nèi)，適當(dāng)提高多線切割過程中的鋼線速度，有利于硅材料在延性域內(nèi)去除，硅片表面的質(zhì)量將會提高。此外，線速度的提升，可以一定程度上提高金剛線的切削能力，因此可以適當(dāng)增加臺速縮短工藝時間。下表為不同線速條件下切割對比，隨著線速度提升，工藝時間縮短，單臺日產(chǎn)能提升。

表2 不同線速切割對比

對于切片設(shè)備生產(chǎn)廠家，考慮降本的同時，需進(jìn)一步提升設(shè)備整體穩(wěn)定性，特別是張力控制穩(wěn)定性、主軸軸承箱穩(wěn)定性及設(shè)備強度。目前市場主流切片線速在1800~2100 m/min，從2017年開始，切片機(jī)線速度的提升開始出現(xiàn)分化，到2019年，一部分金剛線專用切片機(jī)廠家受制于技術(shù)路線選擇及自身研發(fā)能力所限維持1800m/min，少數(shù)研發(fā)能力強的廠家繼續(xù)提升線速度至2400m/min，提高技術(shù)壁壘。隨著切割設(shè)備及金剛線技術(shù)的提升，線速也將進(jìn)一步提升，對未來發(fā)展趨勢預(yù)期如下圖4所示。

圖4 切片線速度發(fā)展趨勢圖

切割線速的提升，配合金剛線切割能力的增強，可以進(jìn)一步提高切割進(jìn)刀臺速，即縮短了每刀切割時間，增加了每臺設(shè)備的日產(chǎn)能。2016年，每GW產(chǎn)能需要將近約40臺切片機(jī)，而目前隨著線速、裝載量的提升，每GW產(chǎn)能僅需16臺切片機(jī)；隨著切割線速度對產(chǎn)能進(jìn)一步提升、大硅片趨勢對單片功率的提升，在不久的未來，每GW切片機(jī)的投入會更少。因此，對于新規(guī)劃產(chǎn)能和計劃增加產(chǎn)能的企業(yè)來說固定資產(chǎn)的投入，以及后期水電氣成本、維護(hù)成本、人工成本將會得到縮減。

（2）切割設(shè)備的小型化單GW廠房占地面積減少

切片機(jī)需要實現(xiàn)更高的穩(wěn)定性與高線速，除了要在主軸電機(jī)、主輥潤滑冷卻、主輥切割室精度、切削冷卻潤滑系統(tǒng)等方面重點研究，還需要對設(shè)備整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。金剛線收線、放線路徑需要進(jìn)一步縮短，減小張力波動。未來切割設(shè)備性能提升的同時，整體結(jié)構(gòu)將更加緊湊、小型化。單臺設(shè)備占地面積的縮減，也大大減少新建廠房的單GW廠房占地面積，因此可以一定程度減小廠房的投資成本。

3.2運營成本下降

切片工廠從硅棒來料到最終切片、分選、包裝，硅成本和非硅成本的占比如下圖5所示。非硅成本主要包括了金剛線、其余物料、人工成本、水電費用、折舊及其他費用。

因此對于切片工廠運營來說，想要減少運營成本，最“簡單粗暴”的方式就是硅料多出片、硅片高質(zhì)量、人工水電成本降低。

（1）細(xì)線化薄片化切割帶來的低成本加工方式

隨著光伏降本的不斷推進(jìn)，不難發(fā)現(xiàn)金剛線將繼續(xù)沿著出片更多、切割更快、線耗更省、硅片更薄的方向發(fā)展。電鍍金鋼線線徑不斷細(xì)化，有利于切割硅縫的減小，減少硅料的損耗，提高硅片的出片率。

目前，金剛線細(xì)線化的進(jìn)程遠(yuǎn)比之前預(yù)期的要快。隨著單晶市場份額的全面提升，預(yù)計2020年，單晶用45金剛線將在客戶端穩(wěn)定大量使用。單晶硅用金剛線線徑變化趨勢如圖6所示。

圖6單晶硅用金剛線線徑變化趨勢圖

薄片化切割同樣可以減少硅料損耗，增加出片率。出片數(shù)隨片厚下降增加趨勢和片厚下降帶來的硅成本下降趨勢分別如圖7和圖8所示。

（2）硅片高質(zhì)量切割

高質(zhì)量硅片主要體現(xiàn)在低TTV、低線痕。對于大尺寸硅片、薄片來說還需要考慮低碎片率、無崩邊、彎曲、翹曲等。

高質(zhì)量硅片的切割，設(shè)備端經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)相同切割工藝，主輥材質(zhì)、開槽參數(shù)不同，TTV表現(xiàn)有很大差異。此外，主輥裝配高精度、低跳動也能夠有效控制線網(wǎng)抖動，提高硅片加工質(zhì)量。金剛線端，減小金剛線微粉粒徑大小，同樣可以提高硅片切割質(zhì)量。但是粒徑也不能無限的減小，當(dāng)粒徑減小到一定程度時，材料去除機(jī)理將發(fā)生改變，反而會降低加工的表面質(zhì)量。根據(jù)切割測試發(fā)現(xiàn)，相同切割工藝，母線徑一致，金剛砂粒徑越小、均勻性越好，有利于硅片質(zhì)量的提高。

以硅片良率93%為例，每公斤單晶硅棒可出片約51片，如果良率提升到95%，每公斤硅棒則可以多出片1片，以每片單晶硅片3.07元計算，相當(dāng)于每片硅片的生產(chǎn)成本降低了3.07/51≈ 6 分。因此，高質(zhì)量硅片有利于硅片廠運營成本的下降。

高質(zhì)量硅片不僅可以提高硅料的利用率，更能滿足未來電池端PERC、HIT等高端需求，因此，優(yōu)質(zhì)的硅片值得擁有更高的價格，也更能贏得客戶的信賴與滿意度，從而在切片環(huán)節(jié)獲得更高的利潤。

（3）智能化工廠

隨著光伏行業(yè)降本的加速，以及2020年疫情的影響，對于智能化工廠的需求會進(jìn)一步引起人們的關(guān)注。智能化工廠不僅可以大大縮減人工成本投入，在企業(yè)的管理、運營方面也可以增效降本。切片環(huán)節(jié)典型的智能化工廠架構(gòu)如下圖9所示，一般包括現(xiàn)場層、控制層、操作層、企業(yè)層、數(shù)據(jù)庫、通信系統(tǒng)。

智能化的建設(shè)很大程度上依賴于現(xiàn)場層自動化的程度，畢竟智能化上層架構(gòu)相對較為成熟。切片環(huán)節(jié)最典型的自動化要屬自動檢棒配棒粘棒系統(tǒng)和切片自動上下棒。從陽光能源整個產(chǎn)業(yè)鏈鏈自動化程度來看，下游產(chǎn)業(yè)的自動化程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于上游產(chǎn)業(yè)，所以目前陽光能源正在積極推進(jìn)拉晶、切片環(huán)節(jié)的自動化生產(chǎn)，提升整個產(chǎn)業(yè)鏈自動化、智能化水平。不積跬步無以至千里，智能化工廠終將是光伏切片企業(yè)的最終模式。

切片環(huán)節(jié)智能化還有很重要的一方面，即切片設(shè)備的自動化+智能化。在切片機(jī)自動化方面，為了最大程度的解放勞動力，降低人工成本，降低操作時間，部分專用切片機(jī)目前可實現(xiàn)自動加液、排液，自動清洗，自動對刀、抬棒。智能化方面基于對切割大數(shù)據(jù)實時監(jiān)控與分析，將人工切割工藝調(diào)整邏輯數(shù)據(jù)化，使切片設(shè)備在一定程度上具備模擬工藝人員對切割過程出現(xiàn)的復(fù)雜問題的識別、學(xué)習(xí)和解決能力，能針對切割過程中出現(xiàn)的異常情況給出快速、精確、可重復(fù)的處理措施，從而降低斷線率、提升生產(chǎn)效率、提高切片良率。高度自動化智能化將是未來切片設(shè)備的重要趨勢之一。

4.總結(jié)

站在2020年庚子年初，遙望未來5年，光伏切片環(huán)節(jié)的發(fā)展必將圍繞硅片“變薄”“變大”“變形”，切割 “高線速”、“細(xì)線化”、“高質(zhì)量”、“低成本”、“自動化”“智能化”的方向上不斷技術(shù)創(chuàng)新，創(chuàng)造新的輝煌。盡管2020年的開端疫情對光伏各產(chǎn)業(yè)環(huán)節(jié)都產(chǎn)生了影響，但是相信全體光伏人會以嶄新的姿態(tài)推進(jìn)光伏產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。