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太陽能電池領(lǐng)域的從業(yè)者一直都會認為，工藝集成與自動化是降低成本的關(guān)鍵因素，但是如何才能好的實施工藝集成卻存在眾多分歧。
目前，工藝集成和自動化還僅僅局限在分立或者聚集機臺，并且設(shè)備之間的通訊方式也隨制造廠商的不同而各異。工廠自動化軟件供應(yīng)商The Peer Group（Kitchener, Ontario）公司的區(qū)域銷售經(jīng)理John Hennessy表示：“事實上，目前使用的太陽能電池工藝集成方法比廠商數(shù)量還要多。據(jù)我所知，光伏產(chǎn)品制造商有很多方法來傳輸數(shù)據(jù)以及監(jiān)控在線產(chǎn)品的進度。在某些情況下，會使用整體設(shè)計方案，而其它一些則是由孤立自動化設(shè)備拼湊而成。即使對于MES，也沒有達成實際的共識——近我們正在幫助客戶對一系列備選MES方案進行篩選，讓人吃驚的是，這些備選方案之間幾乎不存在共同點?！?/P>
量產(chǎn)階段，設(shè)備之間數(shù)據(jù)交換的時間有時會存在長達幾個月的延遲。實際上，VLSI Research Inc. （英國，Bedford）所羅列的頂級PV產(chǎn)品制造商已經(jīng)達成了一個初步共識：來自單一供貨商的全部包建生產(chǎn)線是一個解決設(shè)備之間數(shù)據(jù)交換問題的備選方案。10家大的太陽能產(chǎn)品制造商中的8家都開始使用具備一定自動化程度的單晶硅或者薄膜太陽能產(chǎn)品全包建生產(chǎn)線。
根據(jù)供應(yīng)商的報道，絕大對數(shù)新廠都傾向于購買全部包建的系統(tǒng)，并且其產(chǎn)量通常都在50 MW以上，從生產(chǎn)線建立之初就已經(jīng)完成生產(chǎn)自動化。而現(xiàn)有的PV產(chǎn)品制造商生產(chǎn)規(guī)模通常在25 MW左右，并且通過不斷新增工藝設(shè)備來進一步提高產(chǎn)量，這些廠商也在尋求實現(xiàn)核心工藝，諸如：層壓、引線以及裝框等，自動化的解決方案，以縮小與新型全自動化工廠之間的成本差距。
3S Swiss Solar Systems（瑞士，Lyss）公司的CEO Patrick Hofer-Noser表示：“雖然太陽能電池模塊銷售價格不斷的下降，但是如果能夠保持全天候運轉(zhuǎn)，可以使非全自動化生產(chǎn)線設(shè)備利用率提高到70%，全自動化設(shè)備生產(chǎn)線設(shè)備利用率提高到接近100%。在這種情況下，設(shè)備開銷與產(chǎn)品附加值相比所占的比例并不是很高。”
Hofer-Noser創(chuàng)建的3S公司主要關(guān)注于集成化太陽能設(shè)備的開發(fā)，他認為3S公司資深工程師所開發(fā)的層壓機性能要優(yōu)于市場上其它供貨商所提供的設(shè)備。隨后，他將該層壓機集成到半自動的太陽能模塊生產(chǎn)線上，并將其整體出售給客戶。Hofer-Noser表示：“我們先后兩次為自己公司設(shè)計的生產(chǎn)線，終都出售給了客戶?！焙?，公司的經(jīng)營方向轉(zhuǎn)為集成工藝自動化生產(chǎn)線設(shè)計。隨后，我們先后兼并了Somont公司的層壓設(shè)備業(yè)務(wù)和Pasan公司的測試設(shè)備業(yè)務(wù)，以更好的完成整體生產(chǎn)線的集成。
開動自動化設(shè)備和封裝機器人
圖1. ABB集團（蘇黎世）采用六軸機器設(shè)備結(jié)合不同類別的鑷子應(yīng)用于太陽能模塊制造領(lǐng)域。
將應(yīng)用于其它行業(yè)的自動化設(shè)備移植到單晶硅太陽能產(chǎn)品生產(chǎn)線使其自動化程度前進了許多。隨著對新型自動化生產(chǎn)線投資熱情的減弱，諸如ABB Group（瑞士，蘇黎世）和KUKA（德國，Augsburg）這樣的自動化設(shè)備供貨商向新興的太陽能產(chǎn)品領(lǐng)域額投入更多的精力。ABB公司的六軸機器設(shè)備僅需要添加額外的鑷子或者吸盤以及一些新的控制程序，便可以對硅片進行操作，其可以應(yīng)用于太陽能模塊生產(chǎn)過程中的標準工藝過程，例如：修邊、引線、裝框以及安裝等。
作為一家大型自動化系統(tǒng)供應(yīng)商，ABB并沒有進入太陽能產(chǎn)品制造領(lǐng)域的計劃，而是選擇將設(shè)備賣給Jonas & Spire Solar這樣的太陽能生產(chǎn)線廠商，讓其完成生產(chǎn)線的集成。ABB公司的Keith Fox目前負責(zé)美國太陽能產(chǎn)品制造市場內(nèi)的業(yè)務(wù)拓展，其表示：“ABB的自動化設(shè)備在很多工業(yè)領(lǐng)域已經(jīng)應(yīng)用了很長一段時間，通過嵌入額外的通訊模塊，便可以完成與其它設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交互。”
Conergy AG在德國法蘭克福的250 MW太陽能電池模塊制造廠使用ABB公司的六軸自動設(shè)備進行預(yù)清潔工藝，每20秒便可以完成220 Wp模塊中的引線、修邊、裝框以及攪拌等工藝。四臺裝備有圖像處理功能的機器設(shè)備可以代替30～40個操作人員，來從事諸如引線這樣的勞動密集型生產(chǎn)工藝，并保持更高精度的重復(fù)性。但是即使這樣大型的自動化工廠以全天候運轉(zhuǎn)，某些工藝，諸如：背面層壓，修編后的密封等工藝，還需要人工完成。
單晶硅太陽能電池在不同工藝設(shè)備之間的移動是通過平行取置機械設(shè)備完成的，該設(shè)備類似封裝工藝中所使用的快速取置的機械手，能夠以每分鐘150次的頻率進行抓取。2007年在德國Thalheim興建的Q-Cell 240 MWp生產(chǎn)線，安裝了36臺ABB公司的FlexPicker用于負責(zé)向濕法工藝設(shè)備傳遞以及傳出硅片。其他方面的應(yīng)用主要包括向測試以及分類設(shè)備傳遞硅片。
太陽能產(chǎn)業(yè)自動化設(shè)備的二次開發(fā)
圖2. Adept Technology為太陽能產(chǎn)品制造領(lǐng)域開發(fā)的取置自動化設(shè)備。
除了單純使用自動化設(shè)備代替手動工藝以外，太陽能產(chǎn)業(yè)內(nèi)還對自動化設(shè)備進行二次開發(fā)，使其更有效地集成到工藝步驟當中。具有多種自動化設(shè)備產(chǎn)品線的Adept Technology（加州，Pleasanton）公司也將其開發(fā)的懸空平行取置自動化設(shè)備Quattro定位在太陽能產(chǎn)品制造領(lǐng)域，并且其還專門嵌入了太陽能硅片缺陷監(jiān)測系統(tǒng)。
Adept Technology公司改進了嵌入式圖像處理模塊的分辨率，因此機械手不僅能夠定位硅片，以及檢測硅片上諸如缺角之類的較大缺陷，還能夠檢測硅片上的微小劃痕。Adept公司的市場咨詢師Peter Lundquist表示：“自動設(shè)備和檢測設(shè)備需要能夠集成在一起，但生產(chǎn)設(shè)備以滿負荷運轉(zhuǎn)時，檢測設(shè)備也要能夠滿足產(chǎn)品檢測的需要。太陽能產(chǎn)品自動化生產(chǎn)線的目標是實現(xiàn)100%的產(chǎn)品檢測覆蓋率，并且不能因此降低生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率?！?/P>
他表示：盡管提高檢測設(shè)備的分辨率很重要，但是控制系統(tǒng)的優(yōu)劣以及設(shè)備間通訊的方式才是關(guān)鍵。公司計劃通過生產(chǎn)線承包商來負責(zé)出售設(shè)備，并幫助進行新設(shè)備的評估。CEO John在Adept公司近一次電話會議上對行業(yè)分析人員表示：目前，與生產(chǎn)線承包商之間的洽談還未開始，Quattro檢測系統(tǒng)正處于評估階段。公司計劃開始設(shè)計機臺面向下一個投資高峰。
Lundquist表示：前段工藝是重要的第一檢測點，這樣太陽能產(chǎn)品廠商才能對未來產(chǎn)品有一定的了解。產(chǎn)品檢測并不僅僅針對微裂痕，任何襯底上都可能存在的一定程度的缺陷，而是研究這些缺陷在加工工藝中的生長過程以及對良率的影響。
Hofer-Noser表示：3S正在試圖重新考量其今年8月推出的集成自動化模塊生產(chǎn)線。將布局與引線中的某一步驟去除，即取消在玻璃和EVA表面開孔將“三明治”夾層模塊引出的常規(guī)工藝，從而降低了由此造成的破損情況。相反，在器件制造工藝后，采用傳感器來獲取接觸孔位置，然后從背面開孔完成引線連接。同樣的情況也適用于在修邊工藝，傳統(tǒng)方法采用照相設(shè)備通過分析反射性能的不同來檢測邊緣信息，而新的集成工藝則在器件加工之前即在襯底邊緣做記號，工藝后，僅需要找到事先做好的記號便可以獲取襯底邊緣的位置，從而節(jié)省了工藝周期。加工好的電池模塊隨后進行光學(xué)檢測，電性能測試以及全面的電流電壓曲線的測試。
太陽能產(chǎn)品在生產(chǎn)設(shè)備之間的傳遞是通過一些桶裝機械設(shè)備配以傳送帶完成的，通過自動化設(shè)備控制軟件來完成在線檢測以及產(chǎn)品追蹤。Hofer-Noser表示：公司盡可能避免使用六軸機械設(shè)備，多軸同時意味著不確定性的提高。今年二月，公司已經(jīng)將首款集成自動設(shè)備，封裝流程中使用的層壓機，出售給德國的客戶。
工藝集成有助于降低成本
考慮到工藝集成全包建生產(chǎn)線生產(chǎn)效率的極限，Centrotherm Photovoltaics（德國，Blaubeuren）公司認為同一家公司完成產(chǎn)業(yè)鏈的縱向集成——從多晶硅到終的電池模塊——將會是太陽能電池產(chǎn)品的成本得到大幅降低。在與行業(yè)分析師討論的電話會議上，CTO Peter Fath表示不僅要降低銷售、運輸以及來料/出貨檢查的成本，更好的工藝集成方案以及公司內(nèi)部的迅捷反應(yīng)可以優(yōu)化產(chǎn)品的良率，并且將單一工廠的管理系統(tǒng)延伸到整條產(chǎn)業(yè)鏈，從而改善統(tǒng)籌管理。
盡管還未完成所有的技術(shù)開發(fā)，Centrotherm計劃提供大型全包建生產(chǎn)線的解決方案。公司首先提供模塊和多晶硅制造設(shè)備給客戶，并且隨時關(guān)注其它自動化設(shè)備，例如：化學(xué)刻蝕、濕法清洗以及模塊組裝。
自從今年初提出該方案后，陸續(xù)已經(jīng)有五家客戶開始對其進行評估并開始協(xié)商，一些客戶計劃投資2億8千萬美元來興建產(chǎn)量達到60 MW的全縱向集成生產(chǎn)線，另外還有一些客戶對于產(chǎn)業(yè)鏈中某幾個步驟表示了興趣。
靈活的生產(chǎn)線有助于提高競爭力
出于提高太陽能電池的效率以及改善模塊良率的考慮，對于靈活性高的生產(chǎn)線的需求也在不斷升高。相對于使用相同配置的全包建生產(chǎn)線的廠商而言，這種靈活性高的生產(chǎn)線可以提高自身的競爭力。
3S公司的Hofer-Noser表示：“客戶對我們提出了許多不同方面的要求。”一些客戶歡迎SEM-10標準，盡管這些SEMI標準對于電池單元的制造很有幫助，但是其對模塊領(lǐng)域限制過多，而模塊領(lǐng)域與自動設(shè)備和玻璃領(lǐng)域存在更多的相關(guān)性。他表示：“我們正在和用戶討論尺寸標準如何制定才能夠使封裝技術(shù)得到大限度的簡化。但是如果某個客戶所使用的反應(yīng)腔能夠加工更大尺寸的襯底，將會贏得生產(chǎn)效率上的優(yōu)勢，我們都很清楚相對于設(shè)備成本而言，生產(chǎn)效率才是更為重要的驅(qū)動因素。因此，有時我們的客戶會要求我們能夠處理僅比標準襯底大5 cm的襯底?！?/P>
Peer Group的Hennessy表示：近幾年，PV工業(yè)正以驚人的速度發(fā)展，因此都沒有時間來仔細考慮工廠尺度的自動化或者標準。自動化程度的高低在一定層面上將會決定誰才是生產(chǎn)成本低的制造商，并且經(jīng)過精心設(shè)計且高效運轉(zhuǎn)的自動化工廠系統(tǒng)可以簡單的復(fù)制到隨后的工廠中，并迅速開始盈利。目前，并沒有相關(guān)的知識產(chǎn)權(quán)來保護設(shè)備之間通訊方式領(lǐng)域的IP。因此，工程師們只要在當前可行的解決方案中選擇一個即可，其會將大部分精力投注到可以為公司帶來競爭優(yōu)勢的領(lǐng)域。他認為：“所有工廠終都會進入自動化，但是整個市場中只有那些優(yōu)秀的制造商才能生產(chǎn)出性能高的電池單元或者實現(xiàn)佳性價比的產(chǎn)品?！?!-- 2009-10-13 11:09:58-->
