單晶矽片切割技術發展趨勢分析

北極星太陽能光伏網訊:矽片薄片化，不僅有效減少矽材料消耗，而且薄片化所體現出的矽片柔韌性也給電池、組件端帶來了更多的可能性。

1.前言

一元復始，萬象更新。光伏，一個技術驅動型的行業，技術革新是永恆不變的主題。矽片環節處於光伏產業鏈的中上遊，不僅接上遊矽料的發展，還為下遊電池、組件的技術革新與效率提升提供原材料方案。此外，矽片在整個組件的成本結構佔比也很大，矽片的降本佔據了光伏產業的重頭，為光伏的平價上網貢獻良多。錦州陽光能源作為以單晶矽起家的至今發展20年的一家老牌全產業鏈光伏上市企業，在遼寧錦州、青海西寧、雲南曲靖、江蘇鹽城擁有四大生產基地，形成了12GW從拉晶到組件的全產業鏈。在過去的5年時間裡，聯合行業內四家企業統一了單晶M2產品規格、又將首創M3產品大批量用於國內外客戶電站，較早完成了金剛線切對砂漿切的全部替代，使老產能具備了新的生命力，更使得效率、質量大幅提升，成本大幅度下降。站在2020年這個起始之年，從全產鏈出發、放眼未來5年，矽片又將如何演變創造新的篇章。

2.未來光伏產業鏈對矽片需求

2.1矽片變薄

矽片薄片化，不僅有效減少矽材料消耗，而且薄片化所體現出的矽片柔韌性也給電池、組件端帶來了更多的可能性。矽片薄片化除了受切片環節設備、金剛線、工藝等的制約，也隨後道電池、組件技術的需求變化。如：異質結電池（HIT）的對稱結構、低溫或無應力製程完全可以適應更薄的矽片，而且其效率不受厚度影響，即使減薄到100μm左右，依賴超低表面複合，短路電流Isc的損失可以通過開路電壓Voc得到補償。

薄片的切割，需要對切片設備及切割工藝提出更高的要求。需要實現高線速條件下更高的切割穩定性；切削液系統需要有更好導入，起到冷卻、潤滑、排屑作用；金剛線需要有更好的顆粒均勻性以及更好的切削能力。其他插片機、清洗機、分選機也需要相應優化。在切割工藝端，超薄片更易表現出彎曲、以及進刀收刀的邊緣翹曲，因此需要在工藝端與設備、金剛線有更好的匹配度。

目前，單晶矽片量產厚度在170~180μm，陽光能源和部分企業已具備單晶140μm的切割技術，在陽光能源和日本夏普合作的N型晶棒業務中，N型矽片實際厚度可以做到100-120μm,韌性十足。由於受制於電池和組件技術發展，預計矽片厚度的變化趨勢如下圖1所示。

圖12016-2025年矽片厚度變化趨勢

2.2矽片變大

未來光伏產業鏈對矽片的另一個重要需求，即大尺寸矽片，這幾乎已成為行業不爭的事實。基於產業鏈各環節設備、人力投入不變的前提下，矽片尺寸的增大，增加了從矽片、電池、組件到電站等各環節的產能輸出與利益收入，因此相當於側麵攤銷了部分人工、折舊、水電氣、施工等成本投入。目前，市場上156.75mm（M2）、158.75mm （G1）、166mm（M6） 、 210mm（G12）等多款尺寸共存。2020年陽光能源將重點圍繞166矽片推出系列全新產品。

大尺寸矽片的推廣在切片端，主要體現在切割設備對大尺寸矽棒的兼容，目前市場上已有的金剛線專用切片機都無法適用於G12大矽片。此外，大尺寸與薄片化二者存在一定對立，大尺寸矽片在切割薄片化上對切片機、金剛線及切割工藝提出了更高的要求，減少碎片、TTV、線痕，以及大尺寸薄片可能產生的彎曲與翹曲。

2.3矽片變形

目前，行業將矽片尺寸分成方形和準方形兩種，方形矽片、準方形矽片示意圖分別如圖2和圖3所示。

2020年，隨著矽料成本、拉晶成本的不斷下降以及單晶矽片的產能過剩，也將加速方單晶矽片標準在行業的推廣。表中看出M2、G1、M6方單晶矽片較準方單晶矽片面積分別增加了0.56%、0.85%、0.50%。方單晶的最大優勢是可以增加組件的效率，還可以解決準方片在半片組件串間距處形成不規則形狀的問題，使組件更加美觀。

表1 方片與準方片對比

方單晶生產，在切片粘棒環節需要對樹脂板規格以及用膠量進行調整，切割工藝方面主要是進刀及收刀位置的微小工藝優化。總體來說對切片環節影響較小。

3.未來金剛線切割矽片自身發展維度

3.1投資成本下降

（1）高線速高產能使得單GW投資額減少

在矽材料的切割過程中，材料去除方式主要表現為脆性斷裂切除和塑性變形切除。脆性斷裂切除在矽材料的切割頂端會產生裂紋，產生的裂紋會使矽片表面損傷增加；而塑性變形切除是將矽棒在塑性區域內切除。

根據斷裂力學理論以及矽材料的特性，當金剛石磨粒的最大切削深度大於矽材料的臨界切割深度時，將發生塑性切除向脆性斷裂切除的過渡。因此，在金剛線承載允許範圍內，適當提高多線切割過程中的鋼線速度，有利於矽材料在延性域內去除，矽片表面的質量將會提高。此外，線速度的提升，可以一定程度上提高金剛線的切削能力，因此可以適當增加臺速縮短工藝時間。下表為不同線速條件下切割對比，隨著線速度提升，工藝時間縮短，單臺日產能提升。

表2 不同線速切割對比

對於切片設備生產廠家，考慮降本的同時，需進一步提升設備整體穩定性，特別是張力控制穩定性、主軸軸承箱穩定性及設備強度。目前市場主流切片線速在1800~2100 m/min，從2017年開始，切片機線速度的提升開始出現分化，到2019年，一部分金剛線專用切片機廠家受制於技術路線選擇及自身研發能力所限維持1800m/min，少數研發能力強的廠家繼續提升線速度至2400m/min，提高技術壁壘。隨著切割設備及金剛線技術的提升，線速也將進一步提升，對未來發展趨勢預期如下圖4所示。

圖4 切片線速度發展趨勢圖

切割線速的提升，配合金剛線切割能力的增強，可以進一步提高切割進刀臺速，即縮短了每刀切割時間，增加了每臺設備的日產能。2016年，每GW產能需要將近約40臺切片機，而目前隨著線速、裝載量的提升，每GW產能僅需16臺切片機；隨著切割線速度對產能進一步提升、大矽片趨勢對單片功率的提升，在不久的未來，每GW切片機的投入會更少。因此，對於新規劃產能和計劃增加產能的企業來說固定資產的投入，以及後期水電氣成本、維護成本、人工成本將會得到縮減。

（2）切割設備的小型化單GW廠房佔地面積減少

切片機需要實現更高的穩定性與高線速，除了要在主軸電機、主輥潤滑冷卻、主輥切割室精度、切削冷卻潤滑系統等方面重點研究，還需要對設備整體結構進行優化。金剛線收線、放線路徑需要進一步縮短，減小張力波動。未來切割設備性能提升的同時，整體結構將更加緊湊、小型化。單臺設備佔地面積的縮減，也大大減少新建廠房的單GW廠房佔地面積，因此可以一定程度減小廠房的投資成本。

3.2運營成本下降

切片工廠從矽棒來料到最終切片、分選、包裝，矽成本和非矽成本的佔比如下圖5所示。非矽成本主要包括了金剛線、其餘物料、人工成本、水電費用、折舊及其他費用。

因此對於切片工廠運營來說，想要減少運營成本，最「簡單粗暴」的方式就是矽料多出片、矽片高質量、人工水電成本降低。

（1）細線化薄片化切割帶來的低成本加工方式

隨著光伏降本的不斷推進，不難發現金剛線將繼續沿著出片更多、切割更快、線耗更省、矽片更薄的方向發展。電鍍金鋼線線徑不斷細化，有利於切割矽縫的減小，減少矽料的損耗，提高矽片的出片率。

目前，金剛線細線化的進程遠比之前預期的要快。隨著單晶市場份額的全面提升，預計2020年，單晶用45金剛線將在客戶端穩定大量使用。單晶矽用金剛線線徑變化趨勢如圖6所示。

圖6單晶矽用金剛線線徑變化趨勢圖

薄片化切割同樣可以減少矽料損耗，增加出片率。出片數隨片厚下降增加趨勢和片厚下降帶來的矽成本下降趨勢分別如圖7和圖8所示。

（2）矽片高質量切割

高質量矽片主要體現在低TTV、低線痕。對於大尺寸矽片、薄片來說還需要考慮低碎片率、無崩邊、彎曲、翹曲等。

高質量矽片的切割，設備端經測試發現相同切割工藝，主輥材質、開槽參數不同，TTV表現有很大差異。此外，主輥裝配高精度、低跳動也能夠有效控制線網抖動，提高矽片加工質量。金剛線端，減小金剛線微粉粒徑大小，同樣可以提高矽片切割質量。但是粒徑也不能無限的減小，當粒徑減小到一定程度時，材料去除機理將發生改變，反而會降低加工的表面質量。根據切割測試發現，相同切割工藝，母線徑一致，金剛砂粒徑越小、均勻性越好，有利於矽片質量的提高。

以矽片良率93%為例，每公斤單晶矽棒可出片約51片，如果良率提升到95%，每公斤矽棒則可以多出片1片，以每片單晶矽片3.07元計算，相當於每片矽片的生產成本降低了3.07/51≈ 6 分。因此，高質量矽片有利於矽片廠運營成本的下降。

高質量矽片不僅可以提高矽料的利用率，更能滿足未來電池端PERC、HIT等高端需求，因此，優質的矽片值得擁有更高的價格，也更能贏得客戶的信賴與滿意度，從而在切片環節獲得更高的利潤。

（3）智能化工廠

隨著光伏行業降本的加速，以及2020年疫情的影響，對於智能化工廠的需求會進一步引起人們的關注。智能化工廠不僅可以大大縮減人工成本投入，在企業的管理、運營方面也可以增效降本。切片環節典型的智能化工廠架構如下圖9所示，一般包括現場層、控制層、操作層、企業層、資料庫、通信系統。

智能化的建設很大程度上依賴於現場層自動化的程度，畢竟智能化上層架構相對較為成熟。切片環節最典型的自動化要屬自動檢棒配棒粘棒系統和切片自動上下棒。從陽光能源整個產業鏈鏈自動化程度來看，下遊產業的自動化程度遠遠高於上遊產業，所以目前陽光能源正在積極推進拉晶、切片環節的自動化生產，提升整個產業鏈自動化、智能化水平。不積跬步無以至千裡，智能化工廠終將是光伏切片企業的最終模式。

切片環節智能化還有很重要的一方面，即切片設備的自動化+智能化。在切片機自動化方面，為了最大程度的解放勞動力，降低人工成本，降低操作時間，部分專用切片機目前可實現自動加液、排液，自動清洗，自動對刀、抬棒。智能化方面基於對切割大數據實時監控與分析，將人工切割工藝調整邏輯數據化，使切片設備在一定程度上具備模擬工藝人員對切割過程出現的複雜問題的識別、學習和解決能力，能針對切割過程中出現的異常情況給出快速、精確、可重複的處理措施，從而降低斷線率、提升生產效率、提高切片良率。高度自動化智能化將是未來切片設備的重要趨勢之一。

4.總結

站在2020年庚子年初，遙望未來5年，光伏切片環節的發展必將圍繞矽片「變薄」「變大」「變形」，切割 「高線速」、「細線化」、「高質量」、「低成本」、「自動化」「智能化」的方向上不斷技術創新，創造新的輝煌。儘管2020年的開端疫情對光伏各產業環節都產生了影響，但是相信全體光伏人會以嶄新的姿態推進光伏產業的快速發展。

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