太阳能电池生产项目节能研究

吴鑫亮WU Xin-liang；李鸿LI Hong

（南京工程咨询中心有限公司，南京 210018）

0 引言

煤炭在我国传统能源结构中长期占主导地位，这导致能源消费中污染日趋加重。碳达峰、碳中和目标将逐步推动我国能源结构转型的进程和新能源发电改革，以风电和光伏发电为主要形式的二次能源将逐步占据中国能源体系的主导地位[1]。在多种新能源类型中，太阳能光伏发电的优势较突出，主要优点包括资源分布广泛且总量很大、清洁无污染且具有丰富的应用形式。太阳能光伏产业是新能源产业中发展最快的子行业之一，需求空间巨大，在倡导发展低碳经济的环境下，太阳能光伏产业在未来能源发展中占据重要战略地位。我国广袤的地域有着丰富的太阳能资源，太阳能资源的开发利用潜力巨大。当前，太阳能产业规模方面我国已位居世界首位，我国在太阳能光伏电池生产方面也具有重要地位。太阳能电池除了作为能源设备，还是一种新型屋面及墙面材料，具有节省建材和供电节能的双重优势，经济及社会效益良好，发展前景广阔。光伏电池片是生产太阳能电池组件的核心材料，光伏电池片生产是光伏产业链的关键环节，光伏电池片产业的发展规模及水平决定着光伏能源行业的发展规模及水平。由于生产每兆瓦的太阳能电池组件都需要消耗大量的电池片，太阳能电池片市场需求将日趋加大。然而太阳能电池生产项目通常能耗较高，如何通过有效的技术措施及管理方法降低此类项目生产过程中的能源消耗正越来越引发太阳能电池生产企业的关注。

1 太阳能光伏行业概况

全球范围看，在当今的新能源产业领域中，太阳能光伏产业是发展最快的新能源产业之一。根据国际能源署的数据，截至2021 年底，全球太阳能光伏发电总装机容量已经达到了773GW，较2010 年的40GW 增长了近20 倍。其中中国的太阳能光伏发电装机容量最大，达到了253 GW，其次是美国、欧洲等国家和地区[2]。太阳能光伏产业链环节众多，包括工业硅提炼、晶体硅提纯、硅棒/硅锭制造、硅片生产、电池制造、电池组件封装、光伏系统组建及相关专业配套设备和材料制造等。硅料、硅片等生产是产业链上游环节，电池片、电池组件、逆变器、支架等生产是产业链中游环节，而产业链下游环节多为应用系统。一般而言，太阳能光伏产业链下游涉及的企业数量较中上游企业更多。太阳能电池在光伏产业具有主导地位，并且随着能源的短缺日益加强。（图1）

图1 太阳能光伏产业链示意图

2 太阳能电池的原理及分类

太阳能电池是利用半导体材料的光电效应将太阳能转化为电能。太阳能电池按照材料类型可分为硅太阳能电池、非晶硅太阳能电池、铜铟镓硒（CIGS）太阳能电池、钙钛矿太阳能电池等[3]。硅太阳能电池较常见，其特点是稳定可靠，但光电转换效率一般不高。硅太阳能电池主要分单晶硅和多晶硅太阳能电池，单晶硅和多晶硅太阳能电池的差异主要体现在材料结构、外观、转换效率、制造成本及性能稳定性上。硅太阳能电池原材料一般包括硅片、铝浆、银浆、氢氟酸、硝酸等，辅助材料主要包含各类网板、各类化学品、各类气体及包装材料等。非晶硅电池是改进版本的硅太阳能电池，光电转换效率和稳定性都有所提高。CIGS太阳能电池采用新型半导体材料使其转换效率更高，使用寿命更长。钙钛矿太阳能电池是一款新兴太阳能电池，具备成本小、使用简便等优势[4]。目前市场主流产品以硅太阳能电池为主，《中华人民共和国2022 年国民经济和社会发展统计公报》显示，2022 年我国太阳能电池（光伏电池）产量3.4 亿千瓦，比上年增长46.8%。

3 太阳能电池生产项目节能研究案例

3.1 工程概况

以某年产3GW 太阳能高效电池光伏项目为例，该项目总用地面积约297.4 亩，总建筑面积约7 平方米，总投资约30 亿元，新建电池车间、仓库、办公等生产、仓储、公用辅助用房，购置黑硅设备、刻蚀机等生产设备，进料检测试仪、EL 测试仪等检测设备，供配电、给排水、空压机等公用工程设备及环保设备等建设太阳能高效电池片生产线12 条以及硅片深加工生产线3 条，实现年产500MW 单晶硅太阳能高效电池片、2500MW 多晶硅太阳能高效电池片及1GW 高效深加工硅片的生产规模。该项目运营后，年消耗电力1.86 亿kWh、天然气7.6 万m3、蒸汽6.1 万t、氧气30 万Nm3、新水337 万t，年综合能耗为6.2 万吨标煤（等价值）和2.9 万吨标煤（当量值），项目新增能耗对所在地“十四五”期间能源消费增量影响较大，需从主要耗能工序、重点用能设备、项目能效水平、节能技术及管理措施等多方面研究项目节能潜力，提高企业节能管理及技术水平。

3.2 主要耗能工序节能研究

该项目主要生产常见的硅太阳能电池，太阳能电池片工艺流程主要分为单晶硅电池片和多晶硅电池片生产工艺流程。单晶硅电池片生产工艺流程中主要工序包括预清洗制绒、扩散、化学蚀刻（去除氧化层）、刻蚀后氧化及背面镀膜、减反射膜、丝网印刷、激光打孔、激光打孔、烧结、测试、分类、包装等。多晶硅电池片生产工艺流程主要工序包括黑硅、扩散、化学蚀刻（去除氧化层）、刻蚀后氧化及背面镀膜、减反射膜、丝网印刷、激光打孔、烧结、测试、分类、包装等。

预清洗制绒工序指由于购进的原材料硅片表面附着粉尘，采用超声波清洗方式进行清洗，洗涤采用纯水、氢氧化钾溶液、双氧水，清洗好的硅片甩干后插入片篮，然后进行碱制绒。制绒是利用硅的各向异性腐蚀特性，在硅片表面蚀刻出类似于金字塔或凹坑状结构，其目的是利用陷光原理，减少光的反射率，提高短路电流，增加P-N 结的面积，从而提高电池片成品的光电转换效率。黑硅工序是指通过化学溶液腐蚀（湿法）或者离子态腐蚀性气体腐蚀（干法），在硅片表面进一步制作更小尺度的表面结构，获得更低的反射率，加大光的吸收利用。扩散工序过程是使气体携带磷源，将磷源沉积在硅片表面，再利用高温制造出硅片表面所需的N 层。化学蚀刻工序是指在扩散时，硅片的正面形成一层很薄的磷硅玻璃层（此磷硅玻璃含有影响效率的非活性磷），同时硅片边缘也被扩散到磷原子形成N型层，使得正面和反面导通；为了去除正面的磷硅玻璃和断开正面和反面的导通，利用硝酸、硫酸、氢氟酸在低温下实现背面腐蚀抛光断开P 层和N 层连接，再利用氢氧化钾和纯水清洗表面，后面继续利用氢氟酸在常温下把磷硅玻璃腐蚀掉，再用纯水清洗。原子层沉积技术是一种有序的气相薄膜生长技术，具有良好的保形性、均匀性和高的台阶覆盖率。背面镀膜工序采用三甲基铝、氧气、一氧化二氮，在250～500℃条件下，通过原子层沉积氧化铝薄膜对晶体硅太阳能电池硅片进行表面钝化，能够增加载流子的有效寿命，从而使得太阳能电池整体转换效率得到大幅度提高。减反射膜工序在250～500℃条件下，通入硅烷、氨气、氮气（氮气为保护气），利用硅烷、氨气之间的反应在硅片正表面形成一层氮化硅减反射膜。丝网印刷工序在室温情况下，硅片表面分别印刷背面银浆、背面铝浆、正面银浆；背面银浆和背面铝浆印刷之后，分别都会在200～300℃条件下进行烘干。使用银浆、铝浆，一般由金属粉末和有机溶剂以及固体树脂构成，经过烘干后有机溶剂和固体树脂都被挥发，剩余金属留在硅片表面。烧结工序指将印刷好的硅片放入烧结炉中，在600～800℃条件下，使正面银浆的浆料中的有机物充分挥发出来，同时背面银浆和背面铝浆也在高温下与硅片形成良好的欧姆接触，从而起到导电的作用。烧结后自然冷却，即为成品晶硅太阳能电池片。太阳能电池片制作完成后，使用测试仪器测量其性能参数，将电池片按照效率等级进行分档筛选，包装出货，包装采用塑料薄膜充氮包装，封装于泡沫袋内，包装后的成品入库储存。

各类生产工序中制绒、背面钝化及丝网印刷工序占项目整体能耗的比重较大。制绒工序如采用单面制绒，较双面制绒工艺，可以节水50%，化学品节省35%以上。刻蚀后氧化及背面镀膜工序中如采用钝化发射极和背面技术（PERC）在电池背面增镀三氧化二铝，实现背面钝化，可以提升电池效率，节约能耗。（图2）

图2 电池片生产工艺流程图

3.3 重点用能设备节能研究

该项目重点用能设备包括制绒机、高温扩散炉、管式PECVD 设备、丝网印刷机等。制绒机一般可选用制绒一体机，其酸碱槽的自动补液装置可实现无间断生产，可显示浓度变化曲线、温度曲线及各工位工作状态，节能高效，智能化程度高。高温扩散炉采用带通讯的智能串级温度控制系统分段对炉体进行独立控制，可精确控制各段炉丝的温度，温控部件结合通讯系统，根据需求设置斜率升降温，从而全自动控温，符合节能高效的要求。管式PECVD 设备可使用等离子体化学气相沉积技术，该技术作为一种新型脉冲直流等离子体辅助沉积镀膜新技术，将适当比例的不同气体加入具有特定压力和温度的真空炉内，脉冲电压作用下由辉光放电产生均匀的等离子体，不同工艺条件下均可在被处理硅片表面形成所需的膜，运行效率高，节能能源。丝网印刷是太阳能电池电极生产项目中最普遍的工艺程序，丝网印刷工艺中硅片在印上银浆和铝浆后需进入烧结炉高温烧结，采用快速烧结炉可实现不同温度的烧结，丝网印刷机应选用智能化程度高、节能高效型产品。

3.4 辅助和附属设备节能研究

该项目辅助和附属生产设备以通用设备为主，包括电力变压器、冷水机组、空气压缩机、冷冻水泵、冷却水泵等。项目选用的110kV 主变压器为油浸式三相双绕组有载调压电力变压器，10kV 降压变压器均选用SCB14 及以上型号的节能型变压器，查询各变压器的空载损耗和负载损耗，均满足《电力变压器能效限定值及能效等级》（GB20052-2020）规定的2 级及以上能效水平。大型生产项目变压器的选型需考虑高效率、低能耗、先进性且经国家认证的产品，且需保障变压器在经济运行负荷率（75%～85%）内运行。项目选用制冷量4220kW 的变频水冷离心式冷水机组，单机功率为730kW，COP 为5.8，对照《冷水机组能效限定值及能效等级》（GB 19577-2015），名义制冷量大于1163kW 的水冷式设备2 级能效等级限值为5.8，该冷水机组能效等级达到2 级能效要求，满足节能要求。该项目选用的水冷螺杆式空气压缩机单台额定产气量为34m3/min，额定压力为0.8MPa，驱动电动机输入额定功率为200kW，在0.8MPa 额定压力下，考虑服务系数且满载时名义比功率为5.86kW/（m3/min），达到《容积式空气压缩机能效限定值及能效等级》（GB 19153-2019）中的二级能效水平。该项目空压机采用了水冷式，水冷式空压机依托水循环为设备散热，其冷却效果只与冷却水水质相关，因此需把好水质关；另外该项目空压机为螺杆式，其相比于活塞式空压机具有低噪声、高效率及高可靠性等特点。项目选用的卧式双吸冷冻水泵单泵参数流量Q 为360m3/hr，扬尘H 为45m，额定功率N 为132kW，泵效率为89%，通过计算比转速、查取未修正效率、确定效率修正值、计算泵规定点效率值、能效限定值及节能评价值可知所选水泵满足《清水离心泵能效限定值及节能评价值》（GB19762-2007）中对泵节能评价值的要求。

3.5 项目节能措施

3.5.1 工艺设备节能技术措施

该项目工艺技术先进成熟，工艺设计参数选择合理。如采用LDSE/背钝化/MBB/双面技术，可大幅提升电池的光电转化效率，结合全新的过剩载流子退火工艺，达到部分提效和抑制光衰的效果。多晶硅黑硅制绒技术采用金属催化辅助的湿法化学刻蚀法，该绒面可以克服金刚线线切多晶硅片使用常规制绒工艺后反射率更高并有明显的线痕等外观缺陷。单晶硅太阳能电池硅片刻蚀选择优质添加剂，可使塔基尺寸、形状等改善，单晶硅电性能参数改善，添加剂初期时生产的电池片效率提升，填充因子提高[5]。在满足生产工艺前提下，设备尽量选用节能、低噪音型产品。制订各工序设备开、停操作规程，避免设备空转，防止能源浪费和设备事故。加强设备和管道的绝热保温，减少跑、冒、滴、漏现象。工艺设备布置时尽量考虑物料传递顺畅，以减小中间物料的输送，优化设计，将相关的上、下工序衔接合理，达到节能的目的。根据实际情况合理配置机加工设备大小，避免大马拉小车现象。对于功率较大的电机（特别是动力设备）尽量采用高压电机，减少电能损耗。设备、系统的布置在满足安全运行，方便检修的前提，尽可做到合理、紧凑，以减少各种介质的能量损失。

3.5.2 辅助系统节能措施

辅助系统节能措施主要包括总图运输节能、建筑节能、电气节能、暖通空调节能、可再生能源利用节能等。总图运输节能合理布置总图和太阳能电池生产车间内布局，公用动力设施尽量位于负荷中心，减少线路过长带来的能源损失。建筑节能方面严格实施建筑节能设计标准，提高建筑物围护结构的保温隔热性能。电气节能方面合理选择变压器的容量和台数，选择节能环保型、低损耗、低噪音变压器，减少轻载运行导致的电能损耗。暖通空调节能方面，太阳能电池生产车间部分区域有洁净度要求，流线型上送侧回净化效果较好，有效节约暖通能耗。可再生能源利用方面可以考虑雨水收集利用、安装太阳能照明装置、安装屋面光伏发电系统等节能措施。

3.5.3 节能管理措施

节能管理措施首先建立在合理的能源计量基础上，纳入能源计量的能源（耗能工质）种类通常由电力、天然气、蒸汽、新水、氧气、氮气、压缩空气等组成。项目计量器具的配备按照《用能单位能源计量器具配备和管理通则》（GB 17167-2006）标准、《能源管理体系要求及使用指南》（GB/T 23331-2020）和能源三级计量管理网络要求执行。加强对能源计量器具的维护和检定、落实能源计量管理责任，保证能源计量数据真实、准确、完整，对重点转换设备运行管理、维护监测、电气检修实施管理，提高转换效率。

节能管理措施方面还可设立能源管理专职机构，定期监督、检查能源使用情况。构建产品能耗定额考核指标体系，建立能耗统计台帐，对能耗统计数据及报表进行网络化管理。按规范配齐各类各级能源计量器具，定期研究能源消耗统计和能量平衡情况，完善能源消耗统计制度。

3.6 项目能效水平研究

该项目主要消耗电力，电力消耗约占项目综合能源消耗量的90%左右，而电力消耗中制绒机、清洗机、扩散炉、烧结炉、管式PECVD 设备等主要生产设备消耗电力占项目总耗电量的60%以上，其次是供液系统、供气系统、废气处理系统、空压机、水泵等辅助生产设备消耗电力。项目主要能效指标包括电池综合电耗（万kWh/MWp）、电池取水量（m3/MWp）等，主要能效对比标准包括《光伏制造行业规范条件》（2021 年本）、《光伏电池行业清洁生产评价指标体系》等。《光伏制造行业规范条件》（2021 年本）要求晶硅电池项目平均综合电耗小于8 万kWh/MWp，P 型晶硅电池项目水耗低于750 吨/MWp，N 型晶硅电池项目水耗低于900 吨/MWp[6]。该项目通过采取先进生产工艺及相关节能技术措施、节能管理措施，电池综合电耗达到6.25 万kWh/MWp，电池取水量达到841.55m3/MWp，能效水平达到《光伏电池行业清洁生产评价指标体系》中I 级基准值，达到国际清洁生产领先水平。（表1）

表1 光伏电池企业指标标准[7]

4 结语

大力发展新能源是发展全球低碳经济的有效措施之一，相比于传统能源，新能源没有碳排放等环境成本问题，是传统能源的替代方向。应用于光伏发电领域的光伏太阳能高效电池片有着巨大市场需求，较为合理用能结构、先进成熟的工艺设备以及可行的节能措施将为太阳能电池生产项目带来更强的市场竞争力，提升我国太阳能电池生产等新能源领域的发展水平。