单晶硅片切割技术发展趋势分析

      硅片薄片化，不仅有效减少硅材料消耗，而且薄片化所体现出的硅片柔韧性也给电池、组件端带来了更多的可能性。


      一元复始，万象更新。光伏，一个技术驱动型的行业，技术革新是永恒不变的主题。硅片环节处于光伏产业链的中上游，不仅接上游硅料的发展，还为下游电池、组件的技术革新与效率提升提供原材料方案。此外，硅片在整个组件的成本结构占比也很大，硅片的降本占据了光伏产业的重头，为光伏的平价上网贡献良多。锦州阳光能源作为以单晶硅起家的至今发展20年的一家老牌全产业链光伏上市企业，在辽宁锦州、青海西宁、云南曲靖、江苏盐城拥有四大生产基地，形成了12GW从拉晶到组件的全产业链。在过去的5年时间里，联合行业内四家企业统一了单晶M2产品规格、又将首创M3产品大批量用于国内外客户电站，较早完成了金刚线切对砂浆切的全部替代，使老产能具备了新的生命力，更使得效率、质量大幅提升，成本大幅度下降。站在2020年这个起始之年，从全产链出发、放眼未来5年，硅片又将如何演变创造新的篇章。

硅片薄片化，不仅有效减少硅材料消耗，而且薄片化所体现出的硅片柔韧性也给电池、组件端带来了更多的可能性。硅片薄片化除了受切片环节设备、金刚线、工艺等的制约，也随后道电池、组件技术的需求变化。如：异质结电池（HIT）的对称结构、低温或无应力制程完全可以适应更薄的硅片，而且其效率不受厚度影响，即使减薄到100μm左右，依赖超低表面复合，短路电流Isc的损失可以通过开路电压Voc得到补偿。

      薄片的切割，需要对切片设备及切割工艺提出更高的要求。需要实现高线速条件下更高的切割稳定性；切削液系统需要有更好导入，起到冷却、润滑、排屑作用；金刚线需要有更好的颗粒均匀性以及更好的切削能力。其他插片机、清洗机、分选机也需要相应优化。在切割工艺端，超薄片更易表现出弯曲、以及进刀收刀的边缘翘曲，因此需要在工艺端与设备、金刚线有更好的匹配度。

      目前，单晶硅片量产厚度在170~180μm，阳光能源和部分企业已具备单晶140μm的切割技术，在阳光能源和日本夏普合作的N型晶棒业务中，N型硅片实际厚度可以做到100-120μm,韧性十足。由于受制于电池和组件技术发展，预计硅片厚度的变化趋势如下图1所示。

      未来光伏产业链对硅片的另一个重要需求，即大尺寸硅片，这几乎已成为行业不争的事实。基于产业链各环节设备、人力投入不变的前提下，硅片尺寸的增大，增加了从硅片、电池、组件到电站等各环节的产能输出与利益收入，因此相当于侧面摊销了部分人工、折旧、水电气、施工等成本投入。目前，市场上156.75mm（M2）、158.75mm （G1）、166mm（M6） 、 210mm（G12）等多款尺寸共存。2020年阳光能源将重点围绕166硅片推出系列全新产品。

      大尺寸硅片的推广在切片端，主要体现在切割设备对大尺寸硅棒的兼容，目前市场上已有的金刚线专用切片机都无法适用于G12大硅片。此外，大尺寸与薄片化二者存在一定对立，大尺寸硅片在切割薄片化上对切片机、金刚线及切割工艺提出了更高的要求，减少碎片、TTV、线痕，以及大尺寸薄片可能产生的弯曲与翘曲。


      目前，行业将硅片尺寸分成方形和准方形两种，方形硅片、准方形硅片示意图分别如图2和图3所示。


      2020年，随着硅料成本、拉晶成本的不断下降以及单晶硅片的产能过剩，也将加速方单晶硅片标准在行业的推广。表中看出M2、G1、M6方单晶硅片较准方单晶硅片面积分别增加了0.56%、0.85%、0.50%。方单晶的最大优势是可以增加组件的效率，还可以解决准方片在半片组件串间距处形成不规则形状的问题，使组件更加美观。


      方单晶生产，在切片粘棒环节需要对树脂板规格以及用胶量进行调整，切割工艺方面主要是进刀及收刀位置的微小工艺优化。总体来说对切片环节影响较小。


      在硅材料的切割过程中，材料去除方式主要表现为脆性断裂切除和塑性变形切除。脆性断裂切除在硅材料的切割顶端会产生裂纹，产生的裂纹会使硅片表面损伤增加；而塑性变形切除是将硅棒在塑性区域内切除。

      根据断裂力学理论以及硅材料的特性，当金刚石磨粒的最大切削深度大于硅材料的临界切割深度时，将发生塑性切除向脆性断裂切除的过渡。因此，在金刚线承载允许范围内，适当提高多线切割过程中的钢线速度，有利于硅材料在延性域内去除，硅片表面的质量将会提高。此外，线速度的提升，可以一定程度上提高金刚线的切削能力，因此可以适当增加台速缩短工艺时间。下表为不同线速条件下切割对比，随着线速度提升，工艺时间缩短，单台日产能提升。


      对于切片设备生产厂家，考虑降本的同时，需进一步提升设备整体稳定性，特别是张力控制稳定性、主轴轴承箱稳定性及设备强度。目前市场主流切片线速在1800~2100 m/min，从2017年开始，切片机线速度的提升开始出现分化，到2019年，一部分金刚线专用切片机厂家受制于技术路线选择及自身研发能力所限维持1800m/min，少数研发能力强的厂家继续提升线速度至2400m/min，提高技术壁垒。随着切割设备及金刚线技术的提升，线速也将进一步提升，对未来发展趋势预期如下图4所示。


      切割线速的提升，配合金刚线切割能力的增强，可以进一步提高切割进刀台速，即缩短了每刀切割时间，增加了每台设备的日产能。2016年，每GW产能需要将近约40台切片机，而目前随着线速、装载量的提升，每GW产能仅需16台切片机；随着切割线速度对产能进一步提升、大硅片趋势对单片功率的提升，在不久的未来，每GW切片机的投入会更少。因此，对于新规划产能和计划增加产能的企业来说固定资产的投入，以及后期水电气成本、维护成本、人工成本将会得到缩减。

      切片机需要实现更高的稳定性与高线速，除了要在主轴电机、主辊润滑冷却、主辊切割室精度、切削冷却润滑系统等方面重点研究，还需要对设备整体结构进行优化。金刚线收线、放线路径需要进一步缩短，减小张力波动。未来切割设备性能提升的同时，整体结构将更加紧凑、小型化。单台设备占地面积的缩减，也大大减少新建厂房的单GW厂房占地面积，因此可以一定程度减小厂房的投资成本。


      切片工厂从硅棒来料到最终切片、分选、包装，硅成本和非硅成本的占比如下图5所示。非硅成本主要包括了金刚线、其余物料、人工成本、水电费用、折旧及其他费用。


      因此对于切片工厂运营来说，想要减少运营成本，最“简单粗暴”的方式就是硅料多出片、硅片高质量、人工水电成本降低。


      随着光伏降本的不断推进，不难发现金刚线将继续沿着出片更多、切割更快、线耗更省、硅片更薄的方向发展。电镀金钢线线径不断细化，有利于切割硅缝的减小，减少硅料的损耗，提高硅片的出片率。

      目前，金刚线细线化的进程远比之前预期的要快。随着单晶市场份额的全面提升，预计2020年，单晶用45金刚线将在客户端稳定大量使用。单晶硅用金刚线线径变化趋势如图6所示。


      薄片化切割同样可以减少硅料损耗，增加出片率。出片数随片厚下降增加趋势和片厚下降带来的硅成本下降趋势分别如图7和图8所示。


      高质量硅片主要体现在低TTV、低线痕。对于大尺寸硅片、薄片来说还需要考虑低碎片率、无崩边、弯曲、翘曲等。

      高质量硅片的切割，设备端经测试发现相同切割工艺，主辊材质、开槽参数不同，TTV表现有很大差异。此外，主辊装配高精度、低跳动也能够有效控制线网抖动，提高硅片加工质量。金刚线端，减小金刚线微粉粒径大小，同样可以提高硅片切割质量。但是粒径也不能无限的减小，当粒径减小到一定程度时，材料去除机理将发生改变，反而会降低加工的表面质量。根据切割测试发现，相同切割工艺，母线径一致，金刚砂粒径越小、均匀性越好，有利于硅片质量的提高。

      以硅片良率93%为例，每公斤单晶硅棒可出片约51片，如果良率提升到95%，每公斤硅棒则可以多出片1片，以每片单晶硅片3.07元计算，相当于每片硅片的生产成本降低了3.07/51≈ 6 分。因此，高质量硅片有利于硅片厂运营成本的下降。

      高质量硅片不仅可以提高硅料的利用率，更能满足未来电池端PERC、HIT等高端需求，因此，优质的硅片值得拥有更高的价格，也更能赢得客户的信赖与满意度，从而在切片环节获得更高的利润。


      随着光伏行业降本的加速，以及2020年疫情的影响，对于智能化工厂的需求会进一步引起人们的关注。智能化工厂不仅可以大大缩减人工成本投入，在企业的管理、运营方面也可以增效降本。切片环节典型的智能化工厂架构如下图9所示，一般包括现场层、控制层、操作层、企业层、数据库、通信系统。


      智能化的建设很大程度上依赖于现场层自动化的程度，毕竟智能化上层架构相对较为成熟。切片环节最典型的自动化要属自动检棒配棒粘棒系统和切片自动上下棒。从阳光能源整个产业链链自动化程度来看，下游产业的自动化程度远远高于上游产业，所以目前阳光能源正在积极推进拉晶、切片环节的自动化生产，提升整个产业链自动化、智能化水平。不积跬步无以至千里，智能化工厂终将是光伏切片企业的最终模式。

      切片环节智能化还有很重要的一方面，即切片设备的自动化+智能化。在切片机自动化方面，为了最大程度的解放劳动力，降低人工成本，降低操作时间，部分专用切片机目前可实现自动加液、排液，自动清洗，自动对刀、抬棒。智能化方面基于对切割大数据实时监控与分析，将人工切割工艺调整逻辑数据化，使切片设备在一定程度上具备模拟工艺人员对切割过程出现的复杂问题的识别、学习和解决能力，能针对切割过程中出现的异常情况给出快速、精确、可重复的处理措施，从而降低断线率、提升生产效率、提高切片良率。高度自动化智能化将是未来切片设备的重要趋势之一。


      站在2020年庚子年初，遥望未来5年，光伏切片环节的发展必将围绕硅片“变薄”“变大”“变形”，切割 “高线速”、“细线化”、“高质量”、“低成本”、“自动化”“智能化”的方向上不断技术创新，创造新的辉煌。尽管2020年的开端疫情对光伏各产业环节都产生了影响，但是相信全体光伏人会以崭新的姿态推进光伏产业的快速发展。