我国光伏产业半导体薄膜核心设备与工艺技术研究

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1、我国光伏产业半导体薄膜核心设备与工艺技术研究 摘要：在中国成为世界光伏产业制造大国的同时，光伏产业高端半导体薄膜设备与工艺技术经历了引进，消化吸收，仿制与改进等阶段以后， 已经开始进入全面创新阶段。 中国成为光伏核心设备技术与制造大国的时代为期已经不远。 一背景： 2007 年，本文作者应邀在中科院能源所主办的新能源杂志发表了题为“努力推动光伏产业核心设备和核心工艺的国产化进程， 提升我国光伏产业的科技水平”的 署名文章1。 该文结合在中国推动光伏产业核心半导体设备与工艺技术国产化的实践经验， 分析了推动这一事业的有利因素和展望。 本文将对两年来该领域的进展作一个基于事实的回顾，总结，并对未来

2、发展作出新的展望。 二中国成为光伏设备国产化的进程回顾 随着新世纪全世界光伏产业的高速发展， 中国继续发挥制造业的传统优势，光伏组件制造业获得了高速发展，一跃成为世界光伏组件的制造大国。 由高层次归国留学人员为技术核心，中国的光伏产业装备业随之也得到了长足的发展,经历了几个重要的发展阶段： （1）光伏制造配套设备： 配套设备，如封装，测试，热处理炉，清洗，玻璃加工等设备，由于技术含量较低，在上世界末中国光伏产业起步的 19902000 年约 10 年的时间就通过对国外设备的引进消化而实现了整机国产化。 由于这类设备的大部分另部件技术含量也不高， 所有另部件的国产化程度非常高，导致国产设备的售价

3、仅为进口同类设备的 25上下，这类设备的国产化给中国刚起步的光伏组件制造业带来了巨大的经济效益，成为 2000 年以后中国光伏组件制造业的竞争力的一个重要因素。可以说中国的光伏组件生产线，由于对配套设备制造技术的迅速掌握，中国目前的各种规模的晶体硅组件生产线，基本上都不是全盘引进的，国产设备的踪影随处可见。 （2）厂方专用设备设施。 与配套设备国产化同时完成的光伏设备国产化的另外一个重要领域是包括无尘间，纯净水制备等厂房专用设备设施，得益于外商的传统半导体产业在中国的投资设厂， 这类设备设施也被中国企业迅速消耗吸收， 随之发展的光伏制造业在实际上在技术上是与传统半导体产业一脉相承的，因此，光伏

4、产业厂房专用设备设施的国产化程度基本上早于产业发展。当前，厂房专用设备设施在 2000 年已经基本上实现了国产化。 这同样成为近年中国光伏组件制造业的竞争力的一个重要因素。 （3）光伏核心研发设备 众所周知，一个高技术产业，其设备与工艺的技术水平，全盘引进虽然是最快速缩短与国际先进技术的差距， 但最顶尖的设备与工艺技术往往是买不到的，而且在先进的技术，也只代表当时的技术水准。 另外对于光伏技术这样的环保技术，虽然在国际上属于最开放的技术，但目前属于顶尖的薄膜光伏技术，如美国的柔性非晶硅技术，日本的薄膜微晶硅技术，照样属于非销售技术。 不言而喻，我国的光伏事业， 一定要从我国其他产业的发展历程中

5、吸取正反两方面的经验， 要加强基础研发。 我国光伏技术基础研发的前驱者已经在这个领域从基础研究和人才培养两个方面作出了重要贡献， 但是国家支持的研究平台大多投到了高校的研发机构， 而且没有在装备上给予实质性支持。 这就造成这类研究平台装备技术水平不高， 严重影响研发项目成果的质量。高端光伏研发设备同样面临国产化的重大课题。 事实上由思博露公司主持设计建造的 6 室 Cluster PECVDPVD 薄膜光伏材料与器件制备系统在南开大学建成后， 很快就使我国研发领域非晶硅微晶硅的小面积器件的基础研究水平达到了国际水平。最近天威薄膜太阳能等对国产高端研发设备的兴趣和关注在增加， 事实上我国在硅基薄

6、膜的研发设备的设计制造和工艺保证能力已经与达到国际水准。 我们已经制定了进一步加强对这类设备的持续开发和市场开发，对薄膜光伏的基础研发提供优质价廉的装备保障。 光伏核心生产设备 （4）光伏核心设备关键另部件制造能力。 随着核心设备与配套设备整机国产化的进程，另部件的国产化也在稳步发展。 作者在 2007 年的著名文章中指出，与其他先进装备国产化的进程一样， 高端光伏设备国产化的进程应该先实现设备整机与工艺技术国产化，后逐步实现关键另部件国产化。 这几年的实践进一步证明这个发展方针是可行并且已经获得成功。 在这方面，中科院沈科仪开发的中型干泵，中科院北科仪开发成功的中小型普通用途涡轮分子泵， 已

7、经可以满足高端薄膜光伏设备一般要求。但是大功率射频电源，高温 CVD 工艺干泵， CVD 工艺分子泵，大型精密高真空阀门等关键部件还有待开发， 先进材料，如高密度高纯碳纤维版材， 高温高强度可加工增强氟塑料还没有开发成功。 随着整机产业的规模发展， 有理由期待这些关键零部件和关键高端材料的国产化进程会加快。 我国光伏产业核心半导体设备与工艺技术成功地完成了对绝大部分核心设备与配套设备整机水平的模仿与改进制造。 从 2007 年开始，我国的光伏高端薄膜半导体设备与工艺技术的国产化的引进，销化，吸收，以及对设备的包含改进的设计制造。到目前为止，以下重大设备的制造与投用标志着这个阶段已经基本完成：

8、1.在最近一轮非晶硅光伏生产线建设投产期， 由高层留学归国科技人员领军的团队，充分利用了国内改革开发的成果，成功地开发了数十兆瓦年产能的规模生产线， 其中技术上最成功的是广东中山和安徽蚌埠的生产线，因为这两条生产线在产能，产品性能，和产品合格率等重要技术指标都以达标， 而且通过管理的完善已经把这些技术指标具体化。 2.于此同时，在同一时期直接由外商提供的数条同类非晶硅生产线，技术上重大失误的开始浮出水面。 对这个现象的解释是: 这些设备供货商的技术团队的工艺技术的功底不够深， 导致本意对设备的改进的结果却是相反。这个教训值得我们认真吸取。 3.对于其他没有重大失误的国外引进设备，结果正在验证作

9、者 2007年署名文章的判断：单位产能设备的价格可以相差 23 倍，但是组件的性能却基本相同，即稳定的光电转换效率为 6。 随着近期晶体硅电池组件的国际售价逼近 RMB18 元（2.5 美元）， 非晶硅电池的售价必然会降至国际售价逼近 RMB14 元（2.0 美元）或更低。 昂贵的进口生产线制造同样性能的产品的价格竞争力的劣势将浮出水面。 4.综上所述， 近年我国光伏高端半导体薄膜设备的国产化已经成功地通过了初级阶段， 即在对国外公共技术的消耗吸收的基础上成功地完成了仿制并进行了相当成功的改进， 从而成为中国在先进装备国产化的成功案例。 三 光伏研发与生产设备国产化的新进程： 以 2008 年

10、为转折点， 国产核心设备与配套设备整机的制造已经进入自主创新阶段。以下是这个进程已经启动的实例 1.在成功地为国内 3 个光伏企业建造了 4 条共计年产能 20MW 非晶硅光伏组件生产线的基础上，苏州思博露公司通过技术转让，把具有高度自主知识产权的特大型非晶硅 PECVD 系统设备与工艺技术通过技术转让在得到中国民营资本而组建的上海曙海太阳能公司进行该设备和生产线配套设备与整线整合的产业化。该项目的 10MW 示范生产线将在近期工艺贯通，以其独特巧妙的设备构造，最低的绝对价格，极高的性价比， 优良的产品性能进入国内外非晶硅薄膜光伏设备参与竞争。 2.在 2005 年设计制造中国首台晶体硅电池制

11、造用平板式氮化硅PECVD 设备的基础上，苏州思博露公司与沈科仪联合设计开发的特大沉积面积（2 平米）平板式氮化硅 PECVD 系统已经在 2008 年末通过严格的试运行获得成功。 第三代设备的技术方案已经通过内部技术论证。 于此同时，上海航天太阳能公司的微波远距离 PECVD 也已在近期仿制成功。 3.高端非晶硅薄膜电池设备与工艺的中试研发， 除了薄膜光伏电池的价格优势， 薄膜电池本身固有的性能优势， 即可以制造成柔性电池，和特大面积半透明玻璃组件。 我们正在稳步又积极执行开发非晶硅电池的这两个性能优势的研发中试计划。 这两类产品的国产化已是指日可待。 4.面对高端光伏设备与工艺技术的国产化

12、进入自主创新的高级阶段，值得我们反思的我国薄膜光伏产业化的设备与工艺技术几乎没有一项是通过这些已经在小面积器件制备达到相当高水平的研发平台的技术转让实现的。 这就提出这么一个深层次的课题： 如何高效实现技术转让？另外一个比较深层次的情况是： 国家希望支持的验发成果能转化为生产技术，而项目申报单位争取项目心切，往往不切实际地声明自身已经具备担任研究成果转化的技术能力。 把小面积上实现的工艺技术转化为实用的生产技术，是一种综合性的技术开放能力，从笔者熟悉的国内几家主要薄膜光伏研究机构的实际情况， 他们实际上并不具备这一能力。 把小面积材料与器件制备的基础研究与大面积商业产品制备的中试研发清晰区分，

13、 把国家对光伏技术的研究经费根据承包单位的实际研发能力科学评判， 杜绝由不具备中试研发经验的基础研究专家评判具有中试研发能力的不科学评判方法，只有这样，国家的研发经费才能得到高效利用。 可喜的是各级征服对科技应用研发的支持已经开始向企业为主倾斜。 有理由期望光伏的中山研发向企业倾斜将属必然。 四中国光伏产业在当前世界范围经济衰退期间的机会。 与其他出口为主的制造业一样，中国光伏制造业也受到了当前席卷全球的金融危机的影响，出现了产能过剩和资金链断裂得问题。 晶体硅组件制造业受到的影响尤为严重。 非晶硅薄膜光伏制造业的高速发展比晶体硅光伏制造业晚了约 5 年，产业规模尚未形成，几条国外引进的大规模

14、生产线还处于安装阶段， 对制造业本身的影响尚未具体化。面对这个突如其来的宏观经济环境， 我国光伏设备产业应该根据自身产业的特点认真分析形势的基础上正决策： 1.光伏技术是对洁净的发电技术， 光伏发电将在本世纪中叶取代传统的以石化燃料发电技术而成为主流发电技术这个预测已在世界范围内得到了政策制定者和共识。 2.中国已经是能源消耗大国，常规能源对环境的冲击，常规电能的价格的持续上升， 对包括光伏发电的洁净能源技术的利用已经通过法律与法规奠定了法律基础。阻力虽然存在，但洁净能源技术的生命力已经势不可挡。我国大规模使用光伏发电的时代已经指日可待。 3.这次世界经济危机对中国目前外向型经济的转型起了强有

15、力的推动作用。 各级政府推动内需的政策要寄托的经济增长点无疑会包括光伏能源在内的洁净能源产业， 研发支持也会继续向光伏高端装备与高端工艺技术倾斜。 中国的高端光伏设备开发能力本来就是由一群留学归国科技专家为技术和产业骨干创办的， 他们的目标是提升中国光伏产业的技术含金量并通过市场经济得到验证。 他们欣慰地看到各级政府与产业界对光伏技术国产化的认同不但没有因全球性的经济衰退而减弱，相反对光伏技术研发的力度还正在加强。可以这么说，目前中国对新能源技术与产业的支持， 从民间到政府， 从地方到中央，已经形成了一个不可逆转的大气候。 真正有技术开发能力的企业与科技人才，已经不必担心找不到资金支持，大浪淘沙，出人才与成果的时期已经到来。 可以期望我国的几经进入自主创新阶段的中国年轻的高端光伏设备开发能力会得到高速提升， 中国不但会保持与增强光伏制造大国的地位，而且也是光伏技术大国的时代定为到来。