太陽能技術發展現狀

利用太陽能電池（也稱光伏 （PV） 電池）發電的普及程度在過去十年間大幅提高，絲毫沒有衰減的跡象。在電網智能化、發電方式多元化以及能源消費個體參與程度最大化等方面，太陽能技術的應用都將發揮至關重要的作用。大規模太陽能發電將變得越來越普遍，如今每千瓦電價已經與傳統能源（例如核能和天然氣）不相上下。

近年來，太陽能發電市場明顯回暖，2015年至2016年期間，裝機容量甚至增長了50%。中國擁有世界上最大的太陽能發電市場，其新增裝機容量占據全球總量的一半。而亞太地區更已成為全球太陽能發電量最大的地區，2016年的總裝機容量達到147.2 GW，超越了歐洲和美國。

隨著監管框架、市場規劃和基礎設施投資方式的日益完善，全球太陽能發電市場的發展在未來幾年內可能會有所放緩。但隨著太陽能發電成為最經濟的大規模實用發電技術，到2020年前后，它可能會再次進入高速發展的快車道。從長遠來看，住宅和商業建筑物采用的分布式“屋頂”太陽能發電裝置將會贏得可觀的市場份額。

歐洲光伏產業協會 （SolarPower Europe） 認為全球太陽能裝機容量到2021年可達到約1 TW（萬億瓦）。此外，到2030年歐盟必須實現可再生能源 （RES） 比重至少達到35%的目標，以履行其到2050年將成員國國內溫室氣體排放量降低至1990年排放水平的20%的承諾。未來幾年，市場對光伏發電設備的需求可能會不斷增加，太陽能電池制造商和太陽能產業鏈中的其他公司將迎來重大發展機遇。

大規模太陽能發電裝置

光伏裝備制造

由于光伏制造行業具有明顯的規模經濟效應，因此全自動化連續生產非常普遍。標準單晶光伏電池以摻磷硅 （Si） 為基體（吸收體），表面具有摻氮薄層和防反射涂層。n型和p型半導體之間的勢壘稱為p-n結，允許在對側聚積電子和正穴（正電荷），而不會重新復合。

當光線照射到光伏電池上時，電荷因吸收光子能量而逃逸并流向電池電極，從而產生開路電壓。多塊電池集成在一個太陽能模塊中，隨后一個模塊又與其他模塊聯接，由此產生大量電能。

太陽能電池板基本制造流程概括如下：

● 硅片制備

● 表面織構（降低反射率）

● p-n結形成（濕化學工藝）

● 氧化物蝕刻（去除不需要的表層）

● 防反射涂層

● 金屬接觸曬印（絲網印刷）

● 金屬接觸熱處理（燒結）

● 邊緣隔離（激光燒蝕）

● 測試與分類

每一制造環節以及期間的所有處理步驟均需要用到運動控制技術，而其中最具挑戰性的工藝環節則是精確沉積金屬接觸層。銀和鋁漿利用絲網印刷工藝噴涂在每個硅晶片的正面和背面。光伏電池的向陽面印有一系列寬度約為100微米的精細接觸指，間距為2 mm，并覆蓋有兩或三條垂直母線。電池背陽面在金屬化區域具有一組對應的母線。正反面母線的主要功能是收集電流，并與導電電極進行機械接觸。

太陽能電池模塊的組成部分

用于光伏電池制造的絲網印刷系統可采用以下工藝步驟：

● 晶片光刻檢驗 — 系統將晶片傳送到檢測區域，并對晶片表面的至少兩個基準點（對準標記）進行成像。

● 圖像處理 — 使用圖像處理軟件確定每個基準點的精確位置數據，并在內存中定期更新這些數據，以提高多個印刷層的印刷準確度。

● 晶片對準 — 在X、Y和θ方向對晶片平臺進行精細調整（見圖3）以修正偏置，然后轉移到絲網印刷網版（模板）的下方。這些調整可使晶片上的基準點與存儲的參考基準點重疊。直線光柵和圓光柵可提供必要的位置反饋，以驅動每個軸精確地將晶片與絲網對準。

● 印刷 — 在對準之后，將晶片夾持到位，然后使用傳統絲網印刷工藝直接噴涂銀和鋁漿。

晶片絲網印刷系統

運動控制技術要求

當前，單晶光伏電池的能量轉換效率接近20%，而硅單結電池的最大理論極限效率約為29%。轉換效率的提高可降低每千瓦時的發電成本，并減少太陽能發電裝置的物理尺寸，因此制造商一直不斷致力于改進制造工藝以提高效率。

典型的硅太陽能電池生產流程需要完成多次絲網印刷操作：電池的正反面至少有兩次單獨的印刷工序。為了提高轉換效率，必須在不降低導電性的前提下盡可能精細印刷電池正面的接觸線，這需要以極高精度和重復性完成多層疊加印刷。

通過使接觸線變得更細更厚，可使更多電池面積參與太陽能轉換（圖4）。例如，將接觸指的線寬從120 μm縮減至70 μm，同時將厚度提升一倍，則轉換效率可潛在增加0.5%。另一項提高電池性能的技術則是使用選擇性發射極 — 即對太陽能電池的硅晶片進行差異化摻雜處理。通過在金屬觸指正下方的區域進行重摻雜，而僅在其他區域進行輕摻雜，可提高光線的短波響應，從而提高電池轉換效率（圖5）。

目前有多種技術可用于制造選擇性發射極，其中大部分都涉及各印刷層的高精度對準和沉積。由于后續印刷層必須精確置于前一層之上，因此絲網對準精度是確保多層印刷觸指質量優良最為重要的指標。配有高分辨率攝像頭的先進對準系統如今已能夠實現達±10 μm的對準精度。高精度位置編碼器，例如雷尼紹RESOLUTE絕對式光柵系統，是提高印刷絲網重疊精度和控制性能的關鍵。RESOLUTE光柵的工作速度高達100 m/s，分辨率可達1 nm，周期誤差低至±40 nm。

減少金屬接觸指線寬可提高太陽能電池轉換效率（1 - 金屬接觸指，2 - 摻雜邊緣，3 - 基體）

每個金屬接觸指下方較大的摻氮區域（1 - 選擇性發射極摻氮區域）

總結

太陽能在未來數十年內很可能成為人類最主要的電力來源，其發電方式可分為集中式和分布式，后者如屋頂安裝的太陽能電池板（圖6）。在蓬勃發展的背景下，光伏產業鏈的參與者擁有著諸多商機。運動控制技術可應用到光伏電池制造流程的所有階段，對于高精度絲網印刷工藝而言尤為重要。雷尼紹在運動控制領域的專業技術以及種類豐富的光柵產品系列可為OEM廠商與最終用戶提供最前沿的測量解決方案，滿足他們的運動控制需求。
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