太陽能電池生產項目節能研究

吳鑫亮WU Xin-liang；李鴻LI Hong

（南京工程咨詢中心有限公司，南京 210018）

0 引言

煤炭在我國傳統能源結構中長期占主導地位，這導致能源消費中污染日趨加重。碳達峰、碳中和目標將逐步推動我國能源結構轉型的進程和新能源發電改革，以風電和光伏發電為主要形式的二次能源將逐步占據中國能源體系的主導地位[1]。在多種新能源類型中，太陽能光伏發電的優勢較突出，主要優點包括資源分布廣泛且總量很大、清潔無污染且具有豐富的應用形式。太陽能光伏產業是新能源產業中發展最快的子行業之一，需求空間巨大，在倡導發展低碳經濟的環境下，太陽能光伏產業在未來能源發展中占據重要戰略地位。我國廣袤的地域有著豐富的太陽能資源，太陽能資源的開發利用潛力巨大。當前，太陽能產業規模方面我國已位居世界首位，我國在太陽能光伏電池生產方面也具有重要地位。太陽能電池除了作為能源設備，還是一種新型屋面及墻面材料，具有節省建材和供電節能的雙重優勢，經濟及社會效益良好，發展前景廣闊。光伏電池片是生產太陽能電池組件的核心材料，光伏電池片生產是光伏產業鏈的關鍵環節，光伏電池片產業的發展規模及水平決定著光伏能源行業的發展規模及水平。由于生產每兆瓦的太陽能電池組件都需要消耗大量的電池片，太陽能電池片市場需求將日趨加大。然而太陽能電池生產項目通常能耗較高，如何通過有效的技術措施及管理方法降低此類項目生產過程中的能源消耗正越來越引發太陽能電池生產企業的關注。

1 太陽能光伏行業概況

全球范圍看，在當今的新能源產業領域中，太陽能光伏產業是發展最快的新能源產業之一。根據國際能源署的數據，截至2021 年底，全球太陽能光伏發電總裝機容量已經達到了773GW，較2010 年的40GW 增長了近20 倍。其中中國的太陽能光伏發電裝機容量最大，達到了253 GW，其次是美國、歐洲等國家和地區[2]。太陽能光伏產業鏈環節眾多，包括工業硅提煉、晶體硅提純、硅棒/硅錠制造、硅片生產、電池制造、電池組件封裝、光伏系統組建及相關專業配套設備和材料制造等。硅料、硅片等生產是產業鏈上游環節，電池片、電池組件、逆變器、支架等生產是產業鏈中游環節，而產業鏈下游環節多為應用系統。一般而言，太陽能光伏產業鏈下游涉及的企業數量較中上游企業更多。太陽能電池在光伏產業具有主導地位，并且隨著能源的短缺日益加強。（圖1）

圖1 太陽能光伏產業鏈示意圖

2 太陽能電池的原理及分類

太陽能電池是利用半導體材料的光電效應將太陽能轉化為電能。太陽能電池按照材料類型可分為硅太陽能電池、非晶硅太陽能電池、銅銦鎵硒（CIGS）太陽能電池、鈣鈦礦太陽能電池等[3]。硅太陽能電池較常見，其特點是穩定可靠，但光電轉換效率一般不高。硅太陽能電池主要分單晶硅和多晶硅太陽能電池，單晶硅和多晶硅太陽能電池的差異主要體現在材料結構、外觀、轉換效率、制造成本及性能穩定性上。硅太陽能電池原材料一般包括硅片、鋁漿、銀漿、氫氟酸、硝酸等，輔助材料主要包含各類網板、各類化學品、各類氣體及包裝材料等。非晶硅電池是改進版本的硅太陽能電池，光電轉換效率和穩定性都有所提高。CIGS太陽能電池采用新型半導體材料使其轉換效率更高，使用壽命更長。鈣鈦礦太陽能電池是一款新興太陽能電池，具備成本小、使用簡便等優勢[4]。目前市場主流產品以硅太陽能電池為主，《中華人民共和國2022 年國民經濟和社會發展統計公報》顯示，2022 年我國太陽能電池（光伏電池）產量3.4 億千瓦，比上年增長46.8%。

3 太陽能電池生產項目節能研究案例

3.1 工程概況

以某年產3GW 太陽能高效電池光伏項目為例，該項目總用地面積約297.4 畝，總建筑面積約7 平方米，總投資約30 億元，新建電池車間、倉庫、辦公等生產、倉儲、公用輔助用房，購置黑硅設備、刻蝕機等生產設備，進料檢測試儀、EL 測試儀等檢測設備，供配電、給排水、空壓機等公用工程設備及環保設備等建設太陽能高效電池片生產線12 條以及硅片深加工生產線3 條，實現年產500MW 單晶硅太陽能高效電池片、2500MW 多晶硅太陽能高效電池片及1GW 高效深加工硅片的生產規模。該項目運營后，年消耗電力1.86 億kWh、天然氣7.6 萬m3、蒸汽6.1 萬t、氧氣30 萬Nm3、新水337 萬t，年綜合能耗為6.2 萬噸標煤（等價值）和2.9 萬噸標煤（當量值），項目新增能耗對所在地“十四五”期間能源消費增量影響較大，需從主要耗能工序、重點用能設備、項目能效水平、節能技術及管理措施等多方面研究項目節能潛力，提高企業節能管理及技術水平。

3.2 主要耗能工序節能研究

該項目主要生產常見的硅太陽能電池，太陽能電池片工藝流程主要分為單晶硅電池片和多晶硅電池片生產工藝流程。單晶硅電池片生產工藝流程中主要工序包括預清洗制絨、擴散、化學蝕刻（去除氧化層）、刻蝕后氧化及背面鍍膜、減反射膜、絲網印刷、激光打孔、激光打孔、燒結、測試、分類、包裝等。多晶硅電池片生產工藝流程主要工序包括黑硅、擴散、化學蝕刻（去除氧化層）、刻蝕后氧化及背面鍍膜、減反射膜、絲網印刷、激光打孔、燒結、測試、分類、包裝等。

預清洗制絨工序指由于購進的原材料硅片表面附著粉塵，采用超聲波清洗方式進行清洗，洗滌采用純水、氫氧化鉀溶液、雙氧水，清洗好的硅片甩干后插入片籃，然后進行堿制絨。制絨是利用硅的各向異性腐蝕特性，在硅片表面蝕刻出類似于金字塔或凹坑狀結構，其目的是利用陷光原理，減少光的反射率，提高短路電流，增加P-N 結的面積，從而提高電池片成品的光電轉換效率。黑硅工序是指通過化學溶液腐蝕（濕法）或者離子態腐蝕性氣體腐蝕（干法），在硅片表面進一步制作更小尺度的表面結構，獲得更低的反射率，加大光的吸收利用。擴散工序過程是使氣體攜帶磷源，將磷源沉積在硅片表面，再利用高溫制造出硅片表面所需的N 層?；瘜W蝕刻工序是指在擴散時，硅片的正面形成一層很薄的磷硅玻璃層（此磷硅玻璃含有影響效率的非活性磷），同時硅片邊緣也被擴散到磷原子形成N型層，使得正面和反面導通；為了去除正面的磷硅玻璃和斷開正面和反面的導通，利用硝酸、硫酸、氫氟酸在低溫下實現背面腐蝕拋光斷開P 層和N 層連接，再利用氫氧化鉀和純水清洗表面，后面繼續利用氫氟酸在常溫下把磷硅玻璃腐蝕掉，再用純水清洗。原子層沉積技術是一種有序的氣相薄膜生長技術，具有良好的保形性、均勻性和高的臺階覆蓋率。背面鍍膜工序采用三甲基鋁、氧氣、一氧化二氮，在250～500℃條件下，通過原子層沉積氧化鋁薄膜對晶體硅太陽能電池硅片進行表面鈍化，能夠增加載流子的有效壽命，從而使得太陽能電池整體轉換效率得到大幅度提高。減反射膜工序在250～500℃條件下，通入硅烷、氨氣、氮氣（氮氣為保護氣），利用硅烷、氨氣之間的反應在硅片正表面形成一層氮化硅減反射膜。絲網印刷工序在室溫情況下，硅片表面分別印刷背面銀漿、背面鋁漿、正面銀漿；背面銀漿和背面鋁漿印刷之后，分別都會在200～300℃條件下進行烘干。使用銀漿、鋁漿，一般由金屬粉末和有機溶劑以及固體樹脂構成，經過烘干后有機溶劑和固體樹脂都被揮發，剩余金屬留在硅片表面。燒結工序指將印刷好的硅片放入燒結爐中，在600～800℃條件下，使正面銀漿的漿料中的有機物充分揮發出來，同時背面銀漿和背面鋁漿也在高溫下與硅片形成良好的歐姆接觸，從而起到導電的作用。燒結后自然冷卻，即為成品晶硅太陽能電池片。太陽能電池片制作完成后，使用測試儀器測量其性能參數，將電池片按照效率等級進行分檔篩選，包裝出貨，包裝采用塑料薄膜充氮包裝，封裝于泡沫袋內，包裝后的成品入庫儲存。

各類生產工序中制絨、背面鈍化及絲網印刷工序占項目整體能耗的比重較大。制絨工序如采用單面制絨，較雙面制絨工藝，可以節水50%，化學品節省35%以上?？涛g后氧化及背面鍍膜工序中如采用鈍化發射極和背面技術（PERC）在電池背面增鍍三氧化二鋁，實現背面鈍化，可以提升電池效率，節約能耗。（圖2）

圖2 電池片生產工藝流程圖

3.3 重點用能設備節能研究

該項目重點用能設備包括制絨機、高溫擴散爐、管式PECVD 設備、絲網印刷機等。制絨機一般可選用制絨一體機，其酸堿槽的自動補液裝置可實現無間斷生產，可顯示濃度變化曲線、溫度曲線及各工位工作狀態，節能高效，智能化程度高。高溫擴散爐采用帶通訊的智能串級溫度控制系統分段對爐體進行獨立控制，可精確控制各段爐絲的溫度，溫控部件結合通訊系統，根據需求設置斜率升降溫，從而全自動控溫，符合節能高效的要求。管式PECVD 設備可使用等離子體化學氣相沉積技術，該技術作為一種新型脈沖直流等離子體輔助沉積鍍膜新技術，將適當比例的不同氣體加入具有特定壓力和溫度的真空爐內，脈沖電壓作用下由輝光放電產生均勻的等離子體，不同工藝條件下均可在被處理硅片表面形成所需的膜，運行效率高，節能能源。絲網印刷是太陽能電池電極生產項目中最普遍的工藝程序，絲網印刷工藝中硅片在印上銀漿和鋁漿后需進入燒結爐高溫燒結，采用快速燒結爐可實現不同溫度的燒結，絲網印刷機應選用智能化程度高、節能高效型產品。

3.4 輔助和附屬設備節能研究

該項目輔助和附屬生產設備以通用設備為主，包括電力變壓器、冷水機組、空氣壓縮機、冷凍水泵、冷卻水泵等。項目選用的110kV 主變壓器為油浸式三相雙繞組有載調壓電力變壓器，10kV 降壓變壓器均選用SCB14 及以上型號的節能型變壓器，查詢各變壓器的空載損耗和負載損耗，均滿足《電力變壓器能效限定值及能效等級》（GB20052-2020）規定的2 級及以上能效水平。大型生產項目變壓器的選型需考慮高效率、低能耗、先進性且經國家認證的產品，且需保障變壓器在經濟運行負荷率（75%～85%）內運行。項目選用制冷量4220kW 的變頻水冷離心式冷水機組，單機功率為730kW，COP 為5.8，對照《冷水機組能效限定值及能效等級》（GB 19577-2015），名義制冷量大于1163kW 的水冷式設備2 級能效等級限值為5.8，該冷水機組能效等級達到2 級能效要求，滿足節能要求。該項目選用的水冷螺桿式空氣壓縮機單臺額定產氣量為34m3/min，額定壓力為0.8MPa，驅動電動機輸入額定功率為200kW，在0.8MPa 額定壓力下，考慮服務系數且滿載時名義比功率為5.86kW/（m3/min），達到《容積式空氣壓縮機能效限定值及能效等級》（GB 19153-2019）中的二級能效水平。該項目空壓機采用了水冷式，水冷式空壓機依托水循環為設備散熱，其冷卻效果只與冷卻水水質相關，因此需把好水質關；另外該項目空壓機為螺桿式，其相比于活塞式空壓機具有低噪聲、高效率及高可靠性等特點。項目選用的臥式雙吸冷凍水泵單泵參數流量Q 為360m3/hr，揚塵H 為45m，額定功率N 為132kW，泵效率為89%，通過計算比轉速、查取未修正效率、確定效率修正值、計算泵規定點效率值、能效限定值及節能評價值可知所選水泵滿足《清水離心泵能效限定值及節能評價值》（GB19762-2007）中對泵節能評價值的要求。

3.5 項目節能措施

3.5.1 工藝設備節能技術措施

該項目工藝技術先進成熟，工藝設計參數選擇合理。如采用LDSE/背鈍化/MBB/雙面技術，可大幅提升電池的光電轉化效率，結合全新的過剩載流子退火工藝，達到部分提效和抑制光衰的效果。多晶硅黑硅制絨技術采用金屬催化輔助的濕法化學刻蝕法，該絨面可以克服金剛線線切多晶硅片使用常規制絨工藝后反射率更高并有明顯的線痕等外觀缺陷。單晶硅太陽能電池硅片刻蝕選擇優質添加劑，可使塔基尺寸、形狀等改善，單晶硅電性能參數改善，添加劑初期時生產的電池片效率提升，填充因子提高[5]。在滿足生產工藝前提下，設備盡量選用節能、低噪音型產品。制訂各工序設備開、停操作規程，避免設備空轉，防止能源浪費和設備事故。加強設備和管道的絕熱保溫，減少跑、冒、滴、漏現象。工藝設備布置時盡量考慮物料傳遞順暢，以減小中間物料的輸送，優化設計，將相關的上、下工序銜接合理，達到節能的目的。根據實際情況合理配置機加工設備大小，避免大馬拉小車現象。對于功率較大的電機（特別是動力設備）盡量采用高壓電機，減少電能損耗。設備、系統的布置在滿足安全運行，方便檢修的前提，盡可做到合理、緊湊，以減少各種介質的能量損失。

3.5.2 輔助系統節能措施

輔助系統節能措施主要包括總圖運輸節能、建筑節能、電氣節能、暖通空調節能、可再生能源利用節能等?？倛D運輸節能合理布置總圖和太陽能電池生產車間內布局，公用動力設施盡量位于負荷中心，減少線路過長帶來的能源損失。建筑節能方面嚴格實施建筑節能設計標準，提高建筑物圍護結構的保溫隔熱性能。電氣節能方面合理選擇變壓器的容量和臺數，選擇節能環保型、低損耗、低噪音變壓器，減少輕載運行導致的電能損耗。暖通空調節能方面，太陽能電池生產車間部分區域有潔凈度要求，流線型上送側回凈化效果較好，有效節約暖通能耗?？稍偕茉蠢梅矫婵梢钥紤]雨水收集利用、安裝太陽能照明裝置、安裝屋面光伏發電系統等節能措施。

3.5.3 節能管理措施

節能管理措施首先建立在合理的能源計量基礎上，納入能源計量的能源（耗能工質）種類通常由電力、天然氣、蒸汽、新水、氧氣、氮氣、壓縮空氣等組成。項目計量器具的配備按照《用能單位能源計量器具配備和管理通則》（GB 17167-2006）標準、《能源管理體系要求及使用指南》（GB/T 23331-2020）和能源三級計量管理網絡要求執行。加強對能源計量器具的維護和檢定、落實能源計量管理責任，保證能源計量數據真實、準確、完整，對重點轉換設備運行管理、維護監測、電氣檢修實施管理，提高轉換效率。

節能管理措施方面還可設立能源管理專職機構，定期監督、檢查能源使用情況。構建產品能耗定額考核指標體系，建立能耗統計臺帳，對能耗統計數據及報表進行網絡化管理。按規范配齊各類各級能源計量器具，定期研究能源消耗統計和能量平衡情況，完善能源消耗統計制度。

3.6 項目能效水平研究

該項目主要消耗電力，電力消耗約占項目綜合能源消耗量的90%左右，而電力消耗中制絨機、清洗機、擴散爐、燒結爐、管式PECVD 設備等主要生產設備消耗電力占項目總耗電量的60%以上，其次是供液系統、供氣系統、廢氣處理系統、空壓機、水泵等輔助生產設備消耗電力。項目主要能效指標包括電池綜合電耗（萬kWh/MWp）、電池取水量（m3/MWp）等，主要能效對比標準包括《光伏制造行業規范條件》（2021 年本）、《光伏電池行業清潔生產評價指標體系》等?！豆夥圃煨袠I規范條件》（2021 年本）要求晶硅電池項目平均綜合電耗小于8 萬kWh/MWp，P 型晶硅電池項目水耗低于750 噸/MWp，N 型晶硅電池項目水耗低于900 噸/MWp[6]。該項目通過采取先進生產工藝及相關節能技術措施、節能管理措施，電池綜合電耗達到6.25 萬kWh/MWp，電池取水量達到841.55m3/MWp，能效水平達到《光伏電池行業清潔生產評價指標體系》中I 級基準值，達到國際清潔生產領先水平。（表1）

表1 光伏電池企業指標標準[7]

4 結語

大力發展新能源是發展全球低碳經濟的有效措施之一，相比于傳統能源，新能源沒有碳排放等環境成本問題，是傳統能源的替代方向。應用于光伏發電領域的光伏太陽能高效電池片有著巨大市場需求，較為合理用能結構、先進成熟的工藝設備以及可行的節能措施將為太陽能電池生產項目帶來更強的市場競爭力，提升我國太陽能電池生產等新能源領域的發展水平。