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国产太阳能硅单晶生长设备发展概况

   发布日期:2007-09-10 来源:统计整理 作者:COEMA 阅读: [ 字体选择: ]    

  由于世界各国对可再生清洁能源利用的逐步重视,太阳能光伏产业得到了飞速发展;与此同时,我国太阳能光伏发电产业也得到了高速的发展,相关支撑业的市场迅速扩大,在整个产业链中,作为太阳能电池材料制备的关键设备——硅单晶生长设备发挥了至关重要的作用,对行业发展做出了非常显著的贡献。

    国产设备销量直线上升

  近三年,国产太阳能硅单晶生长设备的销售量直线上升,从2004年的8000万元到2006年3.5亿元。目前,我国市场上有各类硅单晶生长设备1500余台,分布在70余家生产企业。主要产品规格有DRXF-85型、TDR-80型、JRDL-800型、CZ-600型、CG6000型、FT-CZ1860型等;90%以上的设备用于太阳能硅单晶的生产,其中有1400余台能够使用16英寸热系统投料45千克生长6英寸太阳能硅单晶,1000余台能够使用18英寸热系统投料60千克生长8英寸硅单晶的能力,只有200多台可以使用20英寸热系统投料80千克—90千克比较经济地生长8英寸的太阳能硅单晶。
  国产设备大部分是以半自动为主,只能实现等径生长、收尾等过程的自动控制,仍没有实现真空获得、加热熔化、引晶放肩、等径生长、收尾等全过程自动控制。不过,经过多年的研究与经验积累,国产设备的等径生长控制技术比较成熟,基本能控制在±1mm左右;随着太阳能硅单晶生长设备市场需求的不断扩大,有多家单位也涉足了太阳能硅单晶生长设备制造的行列,生产规模在逐渐形成,目前,国内已有十余个硅单晶生长设备生产厂家,但主要的有六七家,2006年,生产销售6英寸到8英寸太阳能硅单晶生长设备已超过500台。
  国内太阳能硅单晶生长设备生产单位具有较强的市场意识,机制灵活,反应快,有成熟的硅单晶生长工艺技术等优势。这就使得硅单晶生长设备的推广应用更加容易。凭借我国太阳能硅单晶生长设备研制生产单位的开发制造技术水平的提高以及和成熟的太阳能生长技术,常州华盛天龙机械有限公司、北京京仪世纪科技有限公司等单位研制的硅单晶生长设备已实现批量出口,并得到了外商的好评。

    设备技术水平亟待实质性提高

  尽管近几年来我国太阳能硅单晶生长设备每年都有几百台的市场销售,市场形势非常喜人,但是,新产品的推出、新技术的应用、关键技术的突破等方面没有明显的改善,只是在生产量上有较大的增大,技术水平与前几年相比没有实质的提高。
  目前,市场上运行的国产太阳能硅单晶生长设备有十几种型号,由于近年来硅单晶材料市场形势发展良好,硅单晶生长设备需求量激增,使得现有硅单晶生长设备生产厂家销售量急速增大,同时也激发了更多公司投资硅单晶生长设备的生产制造,使得该行业竞争激烈的同时也暴露出了很多问题。
    首先,缺乏自主创新能力,自主知识产权少;缺乏专业技术人才,技术力量不足;大部分设备生产厂家研究创新能力差,原创技术少,测绘模仿多,在原有技术基础上徘徊,技术进步缓慢,设备不能上档次,在一定程度上减缓了行业的快速发展。目前,很多人有一个错误的观念,认为太阳能硅单晶生长设备比集成电路硅单晶生长设备要求低,不需要过高的稳定性、可靠性、自动化水平以及精密程度的要求等,实际上,太阳能硅单晶材料同样要求较好的均匀性、无位错和氧以及碳量的控制。
    其次,没有执行统一规范的行业标准。各家生产的设备规格不统一,给用户使用带来不便。主要表现在真空室尺寸、电极中心距、籽晶夹头结构与尺寸、坩埚杆连接形式、控制操作形式等规格不统一,给用户的使用、配套消耗品的选择、工艺系统的配备等方面造成一定的麻烦,甚至影响到标准工艺的推广应用和最终产品的质量,缺乏行业沟通与协调。目前各设备生产厂家,为了抢占市场,相互之间不能在技术上相互沟通,一味地在价格方面进行竞争,同样也影响了行业的技术进步与发展。
    第三,设备的设计制造与硅单晶生长工艺脱节。大多数设备制造商只注重设备的生产制造,而忽视了与设备使用单位的交流与沟通,不能提供最适应生产需要的产品。对于设备使用单位来讲,设备的稳定性、可靠性是第一位的,但设备的操作界面友好、使用便捷、生产率高和节能环保也同样重要,特别是在目前原材料紧缺、价格昂贵、市场竞争激烈的情况下,更应该考虑提高生产效率和节能降耗。
    第四,质量意识低。太阳能光伏产业的飞速发展,使硅单晶生长设备市场异常火爆,大部分设备生产单位仅着眼于短期利益,只重视产出,完成生产任务,抢占市场,从而忽略了产品的质量,不曾想这样会严重地影响用户的正常使用,同时也增大了自身售后服务的成本,给用户造成损失的同时也给自己增添了很多麻烦,造成不可估量的损失。
    第五,重视售前服务,忽视售后服务。设备生产单位要提高服务意识,不但要重视售前的服务,更应该重视售后技术服务,这样才能够得到用户的满意,增强市场竞争力,同时也能了解到设备优点与缺点,了解材料生长工艺的要求,有利于对设备进行持续改进与提高。
    第六,适应市场能力差。有些单位具有较强的小批量生产制造能力,但不能适应批量生产和大批量生产的要求。对于大直径太阳能硅单晶生长设备这样的电子专用设备,20台到50台的年生产量已经属于批量生产,而大于100台/年的生产量就属于大批量生产。要适应批量生产和大批量生产,不是加班加点地去进行生产组织,而是要在生产计划组织、相关设备配套、全面质量控制、专用工艺工装等方面进行全方位的提升,以适应批量生产的需求。
    第七,快速发展硅单晶生长设备的同时,不能不考虑与之相配套的关键消耗品的供应问题。随着硅单晶生长设备的大型化、市场的扩大化,与设备相适应的石墨加热材料、保温材料、大尺寸高质量石英坩埚等已形成行业发展的瓶颈。大尺寸薄膜材料的研究生产成为一个非常大的课题,短期内难以实现,但可以在替代材料上做一些研究工作。目前,国内已有专家教授研究成功了炭-炭复合材料,用来制作加热器、保温筒、保温盖、导流筒等热系统关键部件,并取得了良好效果,但真正实现大批量使用,还要与设备使用单位进行密切配合,进行深入地研究与综合试验,更好地适应太阳能硅单晶生长工艺的要求。

    提升设备性能和稳定性

  今后几年,硅单晶生长设备仍有较大的市场,预计2007年,6英寸-8英寸太阳能硅单晶生长设备的销售量将超过800台;2008年有700台左右的销量。鉴于集成电路产业的不断发展,8英寸和12英寸集成电路硅单晶需求量也在不断增加,对大直径硅单晶生长设备有一定的需求,并且对设备的稳定性、可靠性、自动化程度、更多新功能的增加等方面都有更高的要求,因此,对于硅单晶生长设备生产厂家来说任重道远,仍有大量的工作要做。
    首先,按照集成电路硅单晶生长设备的要求生产制造太阳能硅单晶生长设备。要不断地提升设备性能,在保证设备稳定性、可靠性的前提下,提高设备的自动化程度,实现全过程自动控制。
    其次,认真考虑增大单炉熔料量,设计科学合理、操作灵便、稳定可靠的二次加料机构,增强设备性能,进一步提高生产效率,降低能源消耗,更好地满足市场需求。目前,有些设备生产厂家一味地增加设备工作的尺寸,以适应更大的工艺系统(22英寸、24英寸热系统),却忽视了由此增加的成本费用,22英寸、24英寸热场和石英坩埚都比现在通用的18英寸、20英寸热系统高得多,这样,认真计算下来,并不是很经济的。
    第三,重视人才培养,增强创新能力,加大生长工艺与设备方面的试验与研究,在高效率、大投料量、节能降耗方面深入研究,设计满足节能降耗、高效先进的硅单晶生长设备。
    第四,加强交流与沟通,实行强强联合,统一标准与技术规范,在标准化、系列化、通用化方面不断改进。
    第五,研究开发具有自主知识产权的太阳能多晶硅浇铸系统,满足飞速发展的太阳能光伏产业的需求。
  总之,我国硅单晶生长设备生产厂家为我国的集成电路产业、太阳能光伏产业乃至世界的太阳能光伏产业做出了巨大的贡献,促进了世界太阳能光伏产业的进步与发展,为进一步利用可再生清洁能源——太阳能提供了有力的保障。硅单晶生长设备单晶炉生产厂商要有强烈的社会责任感,以发展集成电路和太阳能光伏产业为己任,努力开拓进取,不断开发出市场需要的优质专用设备,为祖国争光,为社会尽力,充分体现自我价值,使太阳能光伏产业像初升的太阳一样蓬勃发展,永远充满活力,让灿烂的阳光带给我们更多的希望和更加充足的能量。

  光伏发电将成为未来电网的支柱和方向。随着我国《可再生能源法》的颁布实施,以及近两年我国光伏产业规模的迅速扩大,生产设备销量也大幅增长。2006年国产光伏电池设备销售额达到6亿元,比2005年增长76.6%。预计2007年国产光伏电池设备销售额将超过7亿元。

  各类国产设备与国际差距不一

  PECVD产能及工艺水平已接近世界先进水平,得到越来越多国内用户的使用,但设备自动化程度(自动装卸片)与国外尚有差距。
  全自动丝网印刷机在核心技术上无法取得突破,整体水平和国外差距较大,国内生产线几乎全部采用了价格高昂的进口设备。
  材料生长设备中的单晶炉在技术性能上虽然与国际先进水平有差距,但并不大,且具备性价比优势,借助硅材料短缺的契机,该设备已形成批量生产,占据国内市场并少量出口。

  研发大尺寸薄硅片自动化设备

  光伏电池制造设备的发展目的是为了提高电池的最终产品质量、光电转换效率及整线生产效率,同时降低生产成本,因此,未来设备的技术发展将围绕着以下几方面进行:
  首先,进一步发展适合大尺寸(如目前主流多晶硅是156mm×156mm方硅片及未来210mm×210mm方硅片等)、薄硅片的工艺技术设备(目前主流硅片厚度为210μm-240μm),以节约硅材料降低成本。
  其次,提高单机自动化水平,增加批次装片量,以提高单机生产效率。以目前主流的多晶硅156mm×156mm方硅片生产工艺为例,要开发单机生产能力在50MW的生产设备,同时要实现机械手自动传送、在线检测等功能,提高整线生产效率,减少人工干预,降低碎片率。
  第三,提高设备的运行稳定性。据调查,国内设备的MTBF(平均无故障间隔时间)普遍在500小时左右,而MTTR(平均故障修复时间)约为10小时,远低于国外MTBF的3500小时左右和MTTR的8小时左右。虽然国内具有维修反应速度快,维修方便等特点,但故障多、不易维修仍然是国内设备的通病,因此,国内在设备生产制造中引入可靠性设计、分析、制造等技术内容,是非常重要的。

  设备研发要与工艺开发挂钩

  在发展国内光伏设备时,应该采取以下几个发展策略:
  首先,设备研制与工艺开发要紧密结合。将设备研制单位的设计与用户单位的工艺研究联系起来,使一些高水平的工艺技术和设备研制相结合,建立工艺示范线,形成设计、制造、工艺开发、设备开发与改进的联合局面。这样既可以缩短国产设备的开发周期,也可以促进先进的工艺应用,而用户通过降低设备采购费用,可进一步提高国内光伏电池的市场竞争能力。
  其次,更新观念,提高产品质量。在设备研制过程中,零部件配套要走向社会化、国际化,以利于专业化配套和同国际标准的接轨。光伏行业的迅速发展带来了巨大的商机,要克服设备制造行业一哄而上造成的恶性竞争,以及企业内部“大小通吃、全面出击”造成的大而不专,应该尽快成立相关的行业协会,并起草相关标准及规范,保证行业有序良性的发展。
  第三,实施品牌战略,建立健全的市场营销体系和售后服务体系。
  对于技术成熟、市场稳定并已形成产业化规模的产品,要在确保现有市场的前提下,充分挖掘市场潜力,积极拓展产品的应用领域,使成熟产品得到新的应用。要在扩大国内市场的同时,开拓新的国际市场,使之扩大出口,全面参与国际竞争。售后服务是提升产品价值,扩大产品知名度,完善产品营销体系,占领市场,实现客户满意度的重要手段,是与产品不可分割的一部分。重视和加强售后服务以及赋予售后服务新的内涵是现代市场营销的趋势。
  第四,跟踪国外技术和设备发展新趋势,提高自主创新能力。
  除了如何提高晶体硅光伏电池的性能之外,量子点太阳电池、量子阱太阳电池、染料敏化电池、热光伏电池及有机薄膜太阳电池等多种新兴电池的物理化学机理研究已经是当前光伏理论及科学研究的前沿,国内部分研究院所也在这方面已经取得阶段性成果。加强与国内新工艺研究单位的合作,提前进行相关制造设备的开发,进行风险投入,提高自主设备创新能力,是国内设备制造企业发展壮大并追赶国际先进水平的重要过程和必不可少的阶段。

 太阳能发电被认为是21世纪最重要的新能源。从远期看,光伏发电将进入电力市场,部分取代常规能源;近期看,太阳能电池已经开始广泛用于通信、交通、民用产品等。利用太阳能光伏发电是不可
逆变的潮流。
  随着世界性的能源危机的到来和太阳能电池转换效率及技术的不断提高,其应用领域不断扩大,尤其是美国、德国百万屋顶光伏计划的实施及欧美可再生能源法的相继生效,给太阳能电池产业的发展提供前所未有的发展机遇。从2004年开始,全球光伏行业进入了一个前所未有的跳跃式发展年,整个光伏行业从源头产品的硅片,到太阳能电池片,到终端产品组件都出现了供不应求的局面。国际市场对太阳能电池的需求猛增,极大地刺激了国内太阳能产业的发展。无锡尚德、南京中电、天威英利、晶澳太阳能等一批公司在光伏产业中崛起,同时为我国太阳能电池制造装备的发展提供了一个良好的契机。

  国产设备已具备整线装备能力

  目前我国已基本具备太阳能电池设备整线供给能力。经多次技术换代及升级,国产的太阳能电池及组件生产线关键生产设备如硅片清洗机、8英寸扩散炉、等离子刻蚀机、PSG祛除机、低温烘干炉、高温
烧结炉等相继在国内大生产线上替代了进口设备,并取得了广泛的应用。
  随着技术的革新与实际应用后的改进,目前国产太阳能电池设备总体的技术状况是:虽然已基本具备整线装备能力,但自动化水平较低;部分设备尚需实现突破。在湿法腐蚀和清洗设备方面,全自动制绒清洗设备、全自动PSG祛除设备,国内已经能够制造,并接近国际水平,初步具备参与国际竞争的条件;8英寸扩散炉的制造已和国际中等水平相当,性价比优势十分明显,并在实际中大量应用到国内的太阳能电池片生产线上,属于比较成熟的设备;国产刻蚀设备距国际先进水平差距较大,产量较低,但性价比优势明显;管式PECVD工艺结果接近国际先进水平,正逐步进入大生产线,但相对于进口平板连续式PECVD设备,自动化程度(自动装卸片)和产量都相对较低;高温烧结炉与国际先进水平有一定差距,但差距不大,开始在大生产线逐步使用;全自动丝网印刷机尚在开发中,半自动丝网印刷机(人工上下料)已进入大生产线。自动检测分档设备目前国内还在开发研制中。

  应提高整线生产效率

  从光伏产业趋势看,始终是朝着提高电池的光电转换效率及整线生产效率并降低生产成本的方向发展。因此,我们国内主要的太阳能电池片设备的技术发展将围绕以下几个方面:提高单机自动化水平和效率,增加批次装片量;设备间自动化装置的应用,减少人工干预,提高整线生产效率;配合用户进行新工艺的探索实验,进一步提高能电池的光电转换效率;进一步发展适合大尺寸、薄硅片的工艺技术设备,节约硅材料,降低成本。同时更好地发挥太阳能电池国内设备厂商在性价比、地域及服务上的优势,以良好的价格,从中低端设备中突破,以成熟型产品扩大市场份额并带动相关产品的销售。在地域上,国内厂商比国外厂商更接近市场和用户,既有利于售前技术交流,为用户量身定做产品,也有利于售后的调试维修服务和长远的备件供应;在服务上,从产品导向到用户导向,在用户当地设立办事处,对用户需求做出快速响应,以优质的服务和用户建立长久而密切的合作关系。
 
  太阳能电池设备价格比较低,国外厂商不好介入,而且其技术难度要比IC设备小得多,公司成功进入太阳能电池片领域门槛相对较低。希望国家及企业在这几个产品领域内加强力量投入,提供专项研发资金的支持,产品实现突破的前景将更美好。光伏产业的发展将给我国电子专用设备行业带来新的市场和发展机遇。

  光伏行业发展预测

  2006年5月第四届世界光伏能量转换大会对光伏业做出以下预测:
  预计2010年全球光伏电池产量将达到10GWp。到2020年全球光伏发电量将占总发电量的1.1%。各种电池都在向高效、低价和高可靠方向发展,而主流电池仍然是晶体硅太阳能电池,2010年年产将达到8GWp到9GWp,占全球的80%到90%。
  薄膜光伏电池研究及产业化速度加快,2005年占4.8%,2006年达225MW。预计在目前全球太阳能硅原料紧缺的情况下,各种薄膜电池的总和到2010年有可能到达1GWp~2GWp,占全球光伏市场的10%—20%;硅光伏电池的生产设备由半自动化向自动化、智能化过渡(单体电池及组件)。

  国产设备供给能力

  目前,我国已基本具备光伏电池制造设备整线供给能力。国产的单、多晶光伏电池关键生产设备如PECVD、制绒机、硅片清洗机、扩散炉、反应离子刻蚀机、PSG腐蚀机、低温烘干炉、烧结炉、丝网印刷机等相继在国内大生产线上替代了进口设备,并取得广泛应用。
  太阳能电池及组件生产关键设备扩散炉、等离子刻蚀机、烘干/烧结炉、清洗机、层压机(组件生产用)已基本和国际水平相当,且性价比优势十分明显,已占据了国内市场的绝大部分,成功阻止了进口设备的批量进入,并已开始引起欧美及东南亚商家的关注,开始少量出口。

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