单晶硅片切割技术发展趋势分析

单 晶 硅 片 切 割 技 术 发 展 趋 势 分 析1. 前 言一 元 复 始 ， 万 象 更 新 。 光 伏 ， 一 个 技 术 驱 动 型 的 行 业 ， 技 术 革 新 是 永 恒 不 变 的 主 题 。 硅片 环 节 处 于 光 伏 产 业 链 的 中 上 游 ， 不 仅 接 上 游 硅 料 的 发 展 ， 还 为 下 游 电 池 、 组 件 的 技 术 革 新与 效 率 提 升 提 供 原 材 料 方 案 。 此 外 ， 硅 片 在 整 个 组 件 的 成 本 结 构 占 比 也 很 大 ， 硅 片 的 降 本 占据 了 光 伏 产 业 的 重 头 ， 为 光 伏 的 平 价 上 网 贡 献 良 多 。 锦 州 阳 光 能 源 作 为 以 单 晶 硅 起 家 的 至 今发 展 20 年 的 一 家 老 牌 全 产 业 链 光 伏 上 市 企 业 ， 在 辽 宁 锦 州 、 青 海 西 宁 、 云 南 曲 靖 、 江 苏 盐 城 拥 有 四 大 生 产 基 地 ， 形 成 了 12GW 从 拉 晶 到 组 件 的 全 产 业 链 。 在 过 去 的 5 年 时 间 里 ， 联 合 行业 内 四 家 企 业 统 一 了 单 晶 M2 产 品 规 格 、 又 将 首 创 M3 产 品 大 批 量 用 于 国 内 外 客 户 电 站 ， 较早 完 成 了 金 刚 线 切 对 砂 浆 切 的 全 部 替 代 ， 使 老 产 能 具 备 了 新 的 生 命 力 ， 更 使 得 效 率 、 质 量 大幅 提 升 ， 成 本 大 幅 度 下 降 。 站 在 2020 年 这 个 起 始 之 年 ， 从 全 产 链 出 发 、 放 眼 未 来 5 年 ， 硅 片又 将 如 何 演 变 创 造 新 的 篇 章 。2. 未 来 光 伏 产 业 链 对 硅 片 需 求2.1 硅 片 变 薄硅 片 薄 片 化 ， 不 仅 有 效 减 少 硅 材 料 消 耗 ， 而 且 薄 片 化 所 体 现 出 的 硅 片 柔 韧 性 也 给 电 池 、 组 件 端 带 来 了 更 多 的 可 能 性 。 硅 片 薄 片 化 除 了 受 切 片 环 节 设 备 、 金 刚 线 、 工 艺 等 的 制 约 ， 也随 后 道 电 池 、 组 件 技 术 的 需 求 变 化 。 如 ： 异 质 结 电 池 （ HIT） 的 对 称 结 构 、 低 温 或 无 应 力 制程 完 全 可 以 适 应 更 薄 的 硅 片 ， 而 且 其 效 率 不 受 厚 度 影 响 ， 即 使 减 薄 到 100μm 左 右 ， 依 赖 超 低表 面 复 合 ， 短 路 电 流 Isc 的 损 失 可 以 通 过 开 路 电 压 Voc 得 到 补 偿 。薄 片 的 切 割 ， 需 要 对 切 片 设 备 及 切 割 工 艺 提 出 更 高 的 要 求 。 需 要 实 现 高 线 速 条 件 下 更 高的 切 割 稳 定 性 ； 切 削 液 系 统 需 要 有 更 好 导 入 ， 起 到 冷 却 、 润 滑 、 排 屑 作 用 ； 金 刚 线 需 要 有 更好 的 颗 粒 均 匀 性 以 及 更 好 的 切 削 能 力 。 其 他 插 片 机 、 清 洗 机 、 分 选 机 也 需 要 相 应 优 化 。 在 切割 工 艺 端 ， 超 薄 片 更 易 表 现 出 弯 曲 、 以 及 进 刀 收 刀 的 边 缘 翘 曲 ， 因 此 需 要 在 工 艺 端 与 设 备 、金 刚 线 有 更 好 的 匹 配 度 。目 前 ， 单 晶 硅 片 量 产 厚 度 在 170~180μm， 阳 光 能 源 和 部 分 企 业 已 具 备 单 晶 140μm 的 切 割 技 术 ， 在 阳 光 能 源 和 日 本 夏 普 合 作 的 N型 晶 棒 业 务 中 ， N型 硅 片 实 际 厚 度 可 以 做 到 100-120μm,韧 性 十 足 。 由 于 受 制 于 电 池 和 组 件 技 术 发 展 ， 预 计 硅 片 厚 度 的 变 化 趋 势 如 下 图 1 所 示 。 图 1 2016-2025 年 硅 片 厚 度 变 化 趋 势2.2 硅 片 变 大未 来 光 伏 产 业 链 对 硅 片 的 另 一 个 重 要 需 求 ， 即 大 尺 寸 硅 片 ， 这 几 乎 已 成 为 行 业 不 争 的 事实 。 基 于 产 业 链 各 环 节 设 备 、 人 力 投 入 不 变 的 前 提 下 ， 硅 片 尺 寸 的 增 大 ， 增 加 了 从 硅 片 、 电池 、 组 件 到 电 站 等 各 环 节 的 产 能 输 出 与 利 益 收 入 ， 因 此 相 当 于 侧 面 摊 销 了 部 分 人 工 、 折 旧 、水 电 气 、 施 工 等 成 本 投 入 。 目 前 ， 市 场 上 156.75mm（ M2） 、 158.75mm （ G1） 、 166mm（ M6） 、210mm（ G12） 等 多 款 尺 寸 共 存 。 2020 年 阳 光 能 源 将 重 点 围 绕 166 硅 片 推 出 系 列 全 新 产 品 。大 尺 寸 硅 片 的 推 广 在 切 片 端 ， 主 要 体 现 在 切 割 设 备 对 大 尺 寸 硅 棒 的 兼 容 ， 目 前 市 场 上 已有 的 金 刚 线 专 用 切 片 机 都 无 法 适 用 于 G12 大 硅 片 。 此 外 ， 大 尺 寸 与 薄 片 化 二 者 存 在 一 定 对 立 ， 大 尺 寸 硅 片 在 切 割 薄 片 化 上 对 切 片 机 、 金 刚 线 及 切 割 工 艺 提 出 了 更 高 的 要 求 ， 减 少 碎 片 、 TTV、线 痕 ， 以 及 大 尺 寸 薄 片 可 能 产 生 的 弯 曲 与 翘 曲 。2.3 硅 片 变 形目 前 ， 行 业 将 硅 片 尺 寸 分 成 方 形 和 准 方 形 两 种 ， 方 形 硅 片 、 准 方 形 硅 片 示 意 图 分 别 如 图2 和 图 3 所 示 。 图 2 方 形 硅 片 尺 寸 示 意 图 图 3 准 方 形 硅 片 尺 寸 示 意 图2020 年 ， 随 着 硅 料 成 本 、 拉 晶 成 本 的 不 断 下 降 以 及 单 晶 硅 片 的 产 能 过 剩 ， 也 将 加 速 方 单晶 硅 片 标 准 在 行 业 的 推 广 。 表 中 看 出 M2、 G1、 M6 方 单 晶 硅 片 较 准 方 单 晶 硅 片 面 积 分 别 增 加了 0.56%、 0.85%、 0.50%。 方 单 晶 的 最 大 优 势 是 可 以 增 加 组 件 的 效 率 ， 还 可 以 解 决 准 方 片 在半 片 组 件 串 间 距 处 形 成 不 规 则 形 状 的 问 题 ， 使 组 件 更 加 美 观 。表 1 方 片 与 准 方 片 对 比尺 寸 M2 156.75mm G1 158.75mm M6 166mm G12 210mm准 方 片 210mm 方 片220mm 准 方 片210mm 方 片223mm 准 方 片223mm 方 片233mm 295mm面 积 /mm2 24431.5 24567.7 24986 25199.3 27415.2 27552.9 44096.1增 加 /mm2 136.2 213.3 137.7 -增 加 比 例 0.56% 0.85% 0.50% -方 单 晶 生 产 ， 在 切 片 粘 棒 环 节 需 要 对 树 脂 板 规 格 以 及 用 胶 量 进 行 调 整 ， 切 割 工 艺 方 面 主要 是 进 刀 及 收 刀 位 置 的 微 小 工 艺 优 化 。 总 体 来 说 对 切 片 环 节 影 响 较 小 。3. 未 来 金 刚 线 切 割 硅 片 自 身 发 展 维 度3.1 投 资 成 本 下 降（ 1） 高 线 速 高 产 能 使 得 单 GW 投 资 额 减 少 在 硅 材 料 的 切 割 过 程 中 ， 材 料 去 除 方 式 主 要 表 现 为 脆 性 断 裂 切 除 和 塑 性 变 形 切 除 。 脆 性断 裂 切 除 在 硅 材 料 的 切 割 顶 端 会 产 生 裂 纹 ， 产 生 的 裂 纹 会 使 硅 片 表 面 损 伤 增 加 ； 而 塑 性 变 形切 除 是 将 硅 棒 在 塑 性 区 域 内 切 除 。根 据 断 裂 力 学 理 论 以 及 硅 材 料 的 特 性 ， 当 金 刚 石 磨 粒 的 最 大 切 削 深 度 大 于 硅 材 料 的 临 界切 割 深 度 时 ， 将 发 生 塑 性 切 除 向 脆 性 断 裂 切 除 的 过 渡 。 因 此 ， 在 金 刚 线 承 载 允 许 范 围 内 ， 适 当 提 高 多 线 切 割 过 程 中 的 钢 线 速 度 ， 有 利 于 硅 材 料 在 延 性 域 内 去 除 ， 硅 片 表 面 的 质 量 将 会 提高 。 此 外 ， 线 速 度 的 提 升 ， 可 以 一 定 程 度 上 提 高 金 刚 线 的 切 削 能 力 ， 因 此 可 以 适 当 增 加 台 速缩 短 工 艺 时 间 。 下 表 为 不 同 线 速 条 件 下 切 割 对 比 ， 随 着 线 速 度 提 升 ， 工 艺 时 间 缩 短 ， 单 台 日产 能 提 升 。 表 2 不 同 线 速 切 割 对 比 线 速 工 艺 时 间 切 换 时 间 日 产 能1500m/min 80min 30min 13 刀1800m/min 75min 30min 14 刀2100m/min 65min 30min 15 刀2400m/min 60min 30min 16 刀对 于 切 片 设 备 生 产 厂 家 ， 考 虑 降 本 的 同 时 ， 需 进 一 步 提 升 设 备 整 体 稳 定 性 ， 特 别 是 张 力控 制 稳 定 性 、 主 轴 轴 承 箱 稳 定 性 及 设 备 强 度 。 目 前 市 场 主 流 切 片 线 速 在 1800~2100 m/min， 从2017 年 开 始 ， 切 片 机 线 速 度 的 提 升 开 始 出 现 分 化 ， 到 2019 年 ， 一 部 分 金 刚 线 专 用 切 片 机 厂家 受 制 于 技 术 路 线 选 择 及 自 身 研 发 能 力 所 限 维 持 1800m/min， 少 数 研 发 能 力 强 的 厂 家 继 续 提 升 线 速 度 至 2400m/min， 提 高 技 术 壁 垒 。 随 着 切 割 设 备 及 金 刚 线 技 术 的 提 升 ， 线 速 也 将 进 一步 提 升 ， 对 未 来 发 展 趋 势 预 期 如 下 图 4 所 示 。 图 4 切 片 线 速 度 发 展 趋 势 图切 割 线 速 的 提 升 ， 配 合 金 刚 线 切 割 能 力 的 增 强 ， 可 以 进 一 步 提 高 切 割 进 刀 台 速 ， 即 缩 短了 每 刀 切 割 时 间 ， 增 加 了 每 台 设 备 的 日 产 能 。 2016 年 ， 每 GW 产 能 需 要 将 近 约 40 台 切 片 机 ，而 目 前 随 着 线 速 、 装 载 量 的 提 升 ， 每 GW 产 能 仅 需 16 台 切 片 机 ； 随 着 切 割 线 速 度 对 产 能 进 一 步 提 升 、 大 硅 片 趋 势 对 单 片 功 率 的 提 升 ， 在 不 久 的 未 来 ， 每 GW 切 片 机 的 投 入 会 更 少 。 因此 ， 对 于 新 规 划 产 能 和 计 划 增 加 产 能 的 企 业 来 说 固 定 资 产 的 投 入 ， 以 及 后 期 水 电 气 成 本 、 维护 成 本 、 人 工 成 本 将 会 得 到 缩 减 。（ 2） 切 割 设 备 的 小 型 化 单 GW 厂 房 占 地 面 积 减 少切 片 机 需 要 实 现 更 高 的 稳 定 性 与 高 线 速 ， 除 了 要 在 主 轴 电 机 、 主 辊 润 滑 冷 却 、 主 辊 切 割室 精 度 、 切 削 冷 却 润 滑 系 统 等 方 面 重 点 研 究 ， 还 需 要 对 设 备 整 体 结 构 进 行 优 化 。 金 刚 线 收 线 、放 线 路 径 需 要 进 一 步 缩 短 ， 减 小 张 力 波 动 。 未 来 切 割 设 备 性 能 提 升 的 同 时 ， 整 体 结 构 将 更 加紧 凑 、 小 型 化 。 单 台 设 备 占 地 面 积 的 缩 减 ， 也 大 大 减 少 新 建 厂 房 的 单 GW 厂 房 占 地 面 积 ， 因此 可 以 一 定 程 度 减 小 厂 房 的 投 资 成 本 。3.2 运 营 成 本 下 降 切 片 工 厂 从 硅 棒 来 料 到 最 终 切 片 、 分 选 、 包 装 ， 硅 成 本 和 非 硅 成 本 的 占 比 如 下 图 5 所 示 。非 硅 成 本 主 要 包 括 了 金 刚 线 、 其 余 物 料 、 人 工 成 本 、 水 电 费 用 、 折 旧 及 其 他 费 用 。 图 5 单 晶 硅 片 成 本 结 构因 此 对 于 切 片 工 厂 运 营 来 说 ， 想 要 减 少 运 营 成 本 ， 最 “ 简 单 粗 暴 ” 的 方 式 就 是 硅 料 多 出片 、 硅 片 高 质 量 、 人 工 水 电 成 本 降 低 。（ 1） 细 线 化 薄 片 化 切 割 带 来 的 低 成 本 加 工 方 式随 着 光 伏 降 本 的 不 断 推 进 ， 不 难 发 现 金 刚 线 将 继 续 沿 着 出 片 更 多 、 切 割 更 快 、 线 耗 更 省 、硅 片 更 薄 的 方 向 发 展 。 电 镀 金 钢 线 线 径 不 断 细 化 ， 有 利 于 切 割 硅 缝 的 减 小 ， 减 少 硅 料 的 损 耗 ，提 高 硅 片 的 出 片 率 。目 前 ， 金 刚 线 细 线 化 的 进 程 远 比 之 前 预 期 的 要 快 。 随 着 单 晶 市 场 份 额 的 全 面 提 升 ， 预 计 2020 年 ， 单 晶 用 45 金 刚 线 将 在 客 户 端 稳 定 大 量 使 用 。 单 晶 硅 用 金 刚 线 线 径 变 化 趋 势 如 图 6所 示 。 图 6 单 晶 硅 用 金 刚 线 线 径 变 化 趋 势 图薄 片 化 切 割 同 样 可 以 减 少 硅 料 损 耗 ， 增 加 出 片 率 。 出 片 数 随 片 厚 下 降 增 加 趋 势 和 片 厚 下降 带 来 的 硅 成 本 下 降 趋 势 分 别 如 图 7 和 图 8 所 示 。 图 7 出 片 数 随 片 厚 下 降 增 加 趋 势 图 8 片 厚 下 降 带 来 的 硅 成 本 下 降 趋 势（ 2） 硅 片 高 质 量 切 割 高 质 量 硅 片 主 要 体 现 在 低 TTV、 低 线 痕 。 对 于 大 尺 寸 硅 片 、 薄 片 来 说 还 需 要 考 虑 低 碎 片率 、 无 崩 边 、 弯 曲 、 翘 曲 等 。高 质 量 硅 片 的 切 割 ， 设 备 端 经 测 试 发 现 相 同 切 割 工 艺 ， 主 辊 材 质 、 开 槽 参 数 不 同 ， TTV表 现 有 很 大 差 异 。 此 外 ， 主 辊 装 配 高 精 度 、 低 跳 动 也 能 够 有 效 控 制 线 网 抖 动 ， 提 高 硅 片 加 工质 量 。 金 刚 线 端 ， 减 小 金 刚 线 微 粉 粒 径 大 小 ， 同 样 可 以 提 高 硅 片 切 割 质 量 。 但 是 粒 径 也 不 能无 限 的 减 小 ， 当 粒 径 减 小 到 一 定 程 度 时 ， 材 料 去 除 机 理 将 发 生 改 变 ， 反 而 会 降 低 加 工 的 表 面质 量 。 根 据 切 割 测 试 发 现 ， 相 同 切 割 工 艺 ， 母 线 径 一 致 ， 金 刚 砂 粒 径 越 小 、 均 匀 性 越 好 ， 有利 于 硅 片 质 量 的 提 高 。以 硅 片 良 率 93%为 例 ， 每 公 斤 单 晶 硅 棒 可 出 片 约 51 片 ， 如 果 良 率 提 升 到 95%， 每 公 斤硅 棒 则 可 以 多 出 片 1 片 ， 以 每 片 单 晶 硅 片 3.07 元 计 算 ， 相 当 于 每 片 硅 片 的 生 产 成 本 降 低 了 3.07/51 ≈ 6 分 。 因 此 ， 高 质 量 硅 片 有 利 于 硅 片 厂 运 营 成 本 的 下 降 。高 质 量 硅 片 不 仅 可 以 提 高 硅 料 的 利 用 率 ， 更 能 满 足 未 来 电 池 端 PERC、 HIT 等 高 端 需 求 ，因 此 ， 优 质 的 硅 片 值 得 拥 有 更 高 的 价 格 ， 也 更 能 赢 得 客 户 的 信 赖 与 满 意 度 ， 从 而 在 切 片 环 节获 得 更 高 的 利 润 。（ 3） 智 能 化 工 厂随 着 光 伏 行 业 降 本 的 加 速 ， 以 及 2020 年 疫 情 的 影 响 ， 对 于 智 能 化 工 厂 的 需 求 会 进 一 步 引起 人 们 的 关 注 。 智 能 化 工 厂 不 仅 可 以 大 大 缩 减 人 工 成 本 投 入 ， 在 企 业 的 管 理 、 运 营 方 面 也 可以 增 效 降 本 。 切 片 环 节 典 型 的 智 能 化 工 厂 架 构 如 下 图 9 所 示 ， 一 般 包 括 现 场 层 、 控 制 层 、 操作 层 、 企 业 层 、 数 据 库 、 通 信 系 统 。 图 9 切 片 典 型 智 能 化 工 厂 架 构 智 能 化 的 建 设 很 大 程 度 上 依 赖 于 现 场 层 自 动 化 的 程 度 ， 毕 竟 智 能 化 上 层 架 构 相 对 较 为 成熟 。 切 片 环 节 最 典 型 的 自 动 化 要 属 自 动 检 棒 配 棒 粘 棒 系 统 和 切 片 自 动 上 下 棒 。 从 阳 光 能 源 整个 产 业 链 链 自 动 化 程 度 来 看 ， 下 游 产 业 的 自 动 化 程 度 远 远 高 于 上 游 产 业 ， 所 以 目 前 阳 光 能 源正 在 积 极 推 进 拉 晶 、 切 片 环 节 的 自 动 化 生 产 ， 提 升 整 个 产 业 链 自 动 化 、 智 能 化 水 平 。 不 积 跬步 无 以 至 千 里 ， 智 能 化 工 厂 终 将 是 光 伏 切 片 企 业 的 最 终 模 式 。切 片 环 节 智 能 化 还 有 很 重 要 的 一 方 面 ， 即 切 片 设 备 的 自 动 化 +智 能 化 。 在 切 片 机 自 动 化 方面 ， 为 了 最 大 程 度 的 解 放 劳 动 力 ， 降 低 人 工 成 本 ， 降 低 操 作 时 间 ， 部 分 专 用 切 片 机 目 前 可 实现 自 动 加 液 、 排 液 ， 自 动 清 洗 ， 自 动 对 刀 、 抬 棒 。 智 能 化 方 面 基 于 对 切 割 大 数 据 实 时 监 控 与分 析 ， 将 人 工 切 割 工 艺 调 整 逻 辑 数 据 化 ， 使 切 片 设 备 在 一 定 程 度 上 具 备 模 拟 工 艺 人 员 对 切 割过 程 出 现 的 复 杂 问 题 的 识 别 、 学 习 和 解 决 能 力 ， 能 针 对 切 割 过 程 中 出 现 的 异 常 情 况 给 出 快 速 、 精 确 、 可 重 复 的 处 理 措 施 ， 从 而 降 低 断 线 率 、 提 升 生 产 效 率 、 提 高 切 片 良 率 。 高 度 自 动 化 智能 化 将 是 未 来 切 片 设 备 的 重 要 趋 势 之 一 。4. 总 结站 在 2020 年 庚 子 年 初 ， 遥 望 未 来 5 年 ， 光 伏 切 片 环 节 的 发 展 必 将 围 绕 硅 片 “ 变 薄 ” “ 变大 ” “ 变 形 ” ， 切 割 “ 高 线 速 ” 、 “ 细 线 化 ” 、 “ 高 质 量 ” 、 “ 低 成 本 ” 、 “自 动 化 ”“ 智 能 化 ” 的 方向 上 不 断 技 术 创 新 ， 创 造 新 的 辉 煌 。 尽 管 2020 年 的 开 端 疫 情 对 光 伏 各 产 业 环 节 都 产 生 了 影 响 ，但 是 相 信 全 体 光 伏 人 会 以 崭 新 的 姿 态 推 进 光 伏 产 业 的 快 速 发 展 。撰 稿 人 ： 锦 州 阳 光 能 源 有 限 公 司 -张 海