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光伏元件規范降低太陽能電池制造成本

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摘要:光伏元件規范降低太陽能電池制造成本
光伏行業一直在尋找如何降低與太陽能電池生產相關的成本,大家的注意力都被吸引到制造設備和材料的行業標準的制訂方面。此標準是專門為滿足光伏行業的需求而定制的,因此減少了通常用于超高純半導體制造的復雜性和成本。

全球一直在推動降低對非可再生能源的依賴,從而加大了對光伏(PV)技術的需求。然而,太陽能成為可再生能源主要來源的希望受到太陽能電池生產成本高的制約。若想太陽能產業蓬勃發展,就必須要求其與傳統電力相比在成本上有很強的競爭優勢,而不能永遠依靠政府補貼。這就意味著要降低太陽能制造成本,實現太陽能發電成本與傳統發電成本持平。

降低成本的一種方式是將元件清潔度和純度的標準與太陽能電池生產的真正工藝需求相匹配。迄今為止,光伏行業一直以半導體行業為標準,但事實上,超高純半導體標準遠超出太陽能電池制造所需要的標準。

太陽能電池制造商已經認識到,使用達到超高純半導體工藝標準的元件在許多情況下標準過高。由于在超高純元件生產過程中,使用高可控生產和清潔協議(這可能遠超出光伏元件所需的標準)導致價格上漲。到今天為止,超高純元件的代用品是“不合格”產品,“不合格”產品在本篇文章中被定義為符合非超高純生產和清潔協議的產品。但是,這些“不合格”元件具有風險,例如因污染和潛在的系統集成問題造成的停工。

此難題的解決方案就是專門為光伏行業制訂出自己的元件工藝標準。世偉洛克公司為達到此類型標準所采取的第一步是頒布了全新的“光伏工藝規范”[1]。此規范滿足光伏行業對不銹鋼元件的測試、清潔和包裝步驟的需求。

光伏制造的清潔度

世偉洛克光伏工藝規范以建立專門的指導方針支持行業發展,以幫助推動市場增長。SEMI光伏委員會目前也在調查并研究直接與光伏生產市場相關的規范。基于公司與幾家光伏產品制造商的合作,世偉洛克規范在流體系統元件制造的清潔度等級上所采用的策略和流程滿足但是不過分超越今天光伏制造商的需求。與超高純半導體系統相比,此規范通過減少元件制造步驟來幫助降低總體的光伏系統成本。

元件清潔程度與提高表面光潔度、去除金屬雜質及將腐蝕威脅和使用過程中產生顆粒的可能性最小化等工藝流程直接相關。為了實現更高等級的清潔度,元件必須經過許多其他制造步驟。例如,不銹鋼可能經過重新處理以降低表面缺陷及減少硫含量,這樣也可以減少金屬的潛在污染和腐蝕。

用于超高純半導體晶圓制造的流體系統中,元件需要高等級的工藝以便將腐蝕和顆粒產生最小化。小線寬和高設備密度產生了對超高純氣體和化學品傳輸的需求,因為向下游攜帶任何顆粒都可能污染晶圓,導致報廢率和操作成本增加。太陽能電池生產中使用的基底對顆粒則沒有那么敏感,這就是為什么超高純工藝標準對光伏制造來說太過于嚴格了。

對于光伏元件來說重要的是要遵循合適的清潔標準。當將不合格產品用在有腐蝕性的光伏制造氣體中時,可能會導致腐蝕并產生顆粒。腐蝕有時會導致氣體的交叉污染,引起氣體管線內產生反應。顆粒和氣體反應會延緩甚至阻塞管線,導致低沉積率、降低系統有效性和生產停工。

一個清潔的工藝環境對于保證薄膜太陽能電池(TFSC)層間的適當粘接也是很關鍵的,特別是對于配線工藝。正確等級的PV元件為可靠的TFSC生產提供適當級別的污染控制。

與腐蝕和清潔度相關的進一步考慮是安全。用于光伏制造的某些氣體是極易起反應的。如果元件連接遭到腐蝕或受到損害,這些氣體就可能無組織排放漏到空氣中去,形成潛在危險的工作環境。

光伏制造協議

世偉洛克光伏工藝規范是不銹鋼元件設計、材料選擇和制造步驟協議的概覽,與那些用于超高純半導體元件(參見表1)的協議相似,但是在某些情況下沒那么嚴格。例如,對于表面光潔度的要求在光伏規范中就很寬松。將元件表面缺陷和夾雜物最小化,可以減少整體與介質接觸表面面積,這樣會提高吹掃和除水操作。這些特征對于保持半導體和光伏工藝的清潔度是很重要的。光伏生產系統不介意少量由于表面較少拋光而可能引起的污染。

在此規范下,設計倡導清潔操作。元件必須能容易得到快速清潔和吹掃,應用中幾乎不產生任何顆粒,并且保持最小截留區域。良好的元件設計在使用連續制造工藝的TFSC生產中是相當重要的。在這樣的環境中,設備必須非常可靠以避免整條生產線停工。因此,元件清潔規范必須具有相當的高可靠性。

材料指南包括化學成份、材料特性、夾雜物和其他材料特征以幫助確保元件清潔并無泄漏。

根據規范,制造技術使用先進的工具、加工、拋光和制造方法生產具有一致可靠性能的表面光潔度良好的產品。

超高純半導體和光伏元件制造協議之間差別最為顯著的地方是在產品制造周期過程中的最終階段,包括清潔、校驗和測試,以及組裝和包裝部分。在這些階段,世偉洛克光伏工藝規范中概述的實踐操作使供應商與超高純元件制造相比可以降低成本。所節省下來的成本轉移到供應鏈中去,有助于降低整體太陽能發電的成本。另外,在安裝過程中,終端用戶會認識到基于一個不太嚴格的包裝要求的效率。

清潔

生產過程中的每一步都可能會產生污染。因此,在每一步后都必須使用有機溶劑或堿性或酸性清潔劑對超高純半導體元件進行徹底清潔。

同樣的,光伏元件在制造過程中也必須進行清潔。然而,光伏市場一致認為超高純半導體級別的清潔對于生產太陽能電池最為常用的兩種生產方法——晶體硅(c-Si)或薄膜光伏技術來說是不需要的。與超高純元件清潔標準相比,世偉洛克光伏工藝規范減少了對電解槽控制(包括電阻系數和細菌等級)的需求。

建議用于光伏元件的更寬松的清潔規范與用在太陽能電池生產中的技術相關。與半導體制造相比,光伏材料和線寬對污染敏感度的要求沒那么高。勝過遵循今天嚴格的超高純標準,世偉洛克光伏工藝規范將光伏元件清潔方法與市場對純凈度的需求統一起來。

校驗和測試

超高純和光伏元件在制造過程中要進行各種各樣的測試以確認產品的清潔度和質量。元件生產者特別關注對不銹鋼元件富含鉻的氧化層表面的耐腐蝕特性的校驗。這些表面在制造過程中通過電拋光和鈍化工藝去除表面鐵并使其變光滑來加強表面性能。

超高純標準通常利用先進的表面化學分析技術來確認耐腐蝕性。此技術對樣品上一系列不連續的點進行分析。常用的測試方法包括俄歇電子能譜(AES),化學分析用電子能譜(ESCA)和次級離子質譜法(SIMS)。這些測試通常都很復雜,常常由第三方實驗室來進行,這兩個因素導致超高純元件制造過程的成本增加。

光伏工藝規范通過指定替代的測試方法(臨界點蝕溫度,CPT)來剔除過高成本。CPT測試的基礎為ASTM G150[2]。它通過強調樣品的氧化鉻表面層使其達到失效點來確定其局部的耐點蝕性,以此對樣品的整個鈍化表面進行評估。表面層失效點的溫度為CPT。因為CPT測試對樣品的整個與介質接觸區域都進行了分析,與表面化學分析技術相比,此方法更好地指出某元件對苛刻環境的耐受力有多好。另外,CPT測試可以在更短的時間以更低的成本提供更為一致的結果,所有這些使其成為對光伏元件測試的首選。

組裝和包裝

必須保護元件在組裝和包裝過程中免受空氣污染以幫助保持其清潔度。適用于半導體元件的超高純規范需要在Class 100無塵室中進行最終的組裝和包裝。此等級的污染保護對光伏元件來說通常是不必要的。而是,光伏工藝規范要求在一個可控的環境內進行組裝和包裝。在此環境會采取基本的預防措施來防止設備產生顆粒、空氣纖維和常見的各種形式的污染。由于不需在無塵室內進行操作,因此能節省與之相關的額外時間和支出,供應商認識到這些節省下來的費用也會讓終端客戶受益。

其他節省的辦法是減少包裝數量。為了滿足半導體超高純規范的要求,每個元件都必須是雙層包裝。內袋包裝為耐磨損的尼龍材質,用干燥的經過濾的氮氣進行吹掃和填充。然后此密封尼龍袋會被加熱密封在一個外部的聚乙烯袋中。根據世偉洛克光伏工藝規范,單層的耐磨損袋就足以保證產品在運輸過程中不會受到外部的污染。仍然會對此單層光伏元件袋進行吹掃,但是包裝步驟的減少為供應商和終端用戶節約了成本。

當超高純半導體和光伏元件之間的組裝和包裝要求有所不同時,供應商必須遵守適用于兩種類型產品的類似的污染保護協議。沒有潤滑劑用于元件的潤濕區域。端接被包住以防止在運輸過程中受到污染。密封包裝被單獨包裝用于運輸。另外,在不打開產品包裝的情況下就可以看到產品識別信息及一些可追蹤信息。

安裝

因為安裝是元件制造和可操作的生產系統之間最后一環,系統組裝者需要保持流體系統元件原來的清潔度。單個包裝袋的光伏元件應該在一個可控的環境中小心地被打開,確保在打開時不會產生顆粒。使用鋒利的刀而不是剪子有助于避免產生顆粒。連接處應正確對準和組裝。具有不同純凈度和硫含量的元件不能混在一起。元件供應商提供的經授權的培訓在有效安裝過程中是很有價值的資源。
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