半导体产业发展有助于绿色的太阳能制造

作者：Sia Abbaszadeh

欢迎访问e展厅 展厅 9 电池/开关电源展厅 电池, 碱性电池, 锂离子电池, 纽扣电池, 太阳能电池, ... 光伏（PV）制造业日渐成为一个重要的新兴产业，但它也面临着两个重大的挑战。首先，它必须要达到与传统发电每瓦成本相当的水平。其次，它必须确保自己维持一个“绿色”的生产制造方式，以便使太阳能给环境带来的好处不会被电池制造过程中产生的污染而抵消（图1）。 从历史来看，太阳能电池制造主要基于半导体技术，但现在也逐渐融合了平板显示器（FPD）制造技术，用以生产大型太阳能电池板。这给光伏制造商提供了一个极好的机会，可以汲取过去20年来在半导体和FPD产业的经验，降低生产成本以及对环境的影响。 纵观半导体产业的发展，与光伏制造商目前面临的情形类似，都受到来自成本和环境方面的压力。从成立伊始，消费需求和竞争压力就成为了提高运算能力和降低价格的无情动力。此外，虽然半导体行业最初被认为是相对清洁的，但它最终不得不承认并解决与水体污染和危险废物气体相关的重大问题，以及高耗水量和耗电量的问题。因此，通过改善设备生产力、能源使用效率、系统集成和废弃物管理，半导体产业在减少生产成本和降低对环境的影响上积累了相当多的专门知识。本文将讨论那些太阳能产业可以较容易采用的方法和技术，以解决所面临的类似挑战。 “绿色”认定的要求 太阳能行业从一开始就需要采取绿色的制造方式。这有几个原因：首先，作为替代能源之一，其主要的吸引力在于通过太阳能技术发出的电是无污染的。然而，如果事实是，制造太阳能电池板跟天然气或煤发电产生相当的污染，该行业就会有失去其大部分吸引力的危险——替代能源的竞争对手将会迅速利用这一弱点。在一些新兴的太阳能市场，关于气体减排和安全处理光伏制造副产品的问题已经出现，需要整个行业作为一个整体迅速解决这些问题。 在替代能源快速增长的欧洲市场，太阳能制造商已经面临严格的微粒、气体及水的排放法规。整个行业正越来越多地采用德国空气质量标准（TA Luft），并有可能成为太阳能电池制造实际上的全球标准（见《排放处理的选择和对环境的影响》一文）。在环保法规相对不严格的地区，制造商仍可选择提前遵循这些规定的要求，以避免产生长期成本，并降低负债的风险。对部分太阳能电池制造商来说，预计将来会受到环境法规管理，因此现在就遵循这些法规，避免由于新规定的要求而升级已有设备，从长期来看，实际上降低了成本。这样做，他们就一定比那些没有贯彻执行环境管理，直到被要求时才执行的竞争对手更加有利。 但是，要获得广泛采用，太阳能行业不仅仅须要解决其环境问题；它还必须达到电网平价。这需要进一步削减太阳能电池制造的成本。在大多数情况下，清洁生产在降低营运成本方面可以发挥重大的作用——例如，减少能源和水的消耗。降低能耗对于能源基础设施相对薄弱的新兴国家特别重要，减少水的消耗在像中东这样的干旱地区非常重要，而中东极有潜力成为太阳能“农场”的位置。现在着手投资进行绿色制造，可以在财务和人力资源两方面帮助太阳能电池制造商避免潜在的污染和清理费用。否则这些潜在的费用对企业收益和品牌资产都可能造成长期的消极影响。 随着太阳能市场的发展，太阳能电池生产过程中的能源消耗量将变得越来越重要。2008年6月份，市场调研机构iSuppli公司预测，到2010年将会有多达400个年产量超过1兆瓦光伏电池的太阳能电池生产线，与2007年相比增加了四倍。随着太阳能行业的发展，它将与其他行业竞争日益昂贵的能源资源。要达到同常规能源电网平价，整体上成为能源的贡献者，而不是能源的净消费者，那么它必须最大限度地减少用于制造太阳能电池板的能量。 半导体行业已经尽力解决了许多太阳能工业现在所面临的污染问题。此外在从200mm过渡到300mm晶圆的过程中，半导体设备制造商克服了购置成本的问题。这与太阳能行业所面临的问题相仿，太阳能也正向下一代生产设备过渡。这两个行业面临着非常相似的挑战，在降低制造成本的同时，生产出更强大且更高效的产品。半导体和太阳能行业所使用的工艺和材料之间具有大量相似之处，这给太阳能电池制造商提供了一个绝佳的机会，使它可以将半导体制造业开发的子系统纳入其制造流程。 易于采用的工艺和技术 一些系统可以很容易地从半导体制造业过渡到太阳能电池制造领域，例如用于排除各种制造工艺、污染减排系统和腔室清洁系统中气体的真空泵。 此外，半导体产业中的系统集成经验，可有助于提高设备的生产能力，这正是降低生产成本的关键因素。 湿泵与干泵 不久前，半导体产业由需要油来形成真空密封的“湿”真空泵转移到“干”泵，消除了在真空环境里使用油的必要，大大减少了对维修的要求，湿泵的维修通常很贵并可能带来危险。这一做法有助于减小风险和降低处理危险废弃物的费用。干泵比湿泵消耗的电力更少。特别是，干泵维护时间间隔通常较长，在两次维护之间会获得更多的产出，这也是降低整体运行成本的一个重要要求。 排放处理系统 对太阳能产业来说，为半导体制造而开发的废物排放处理系统是另一个极好的技术转移的机会。由于排放处理技术通常被视为成本，而不是额外价值，因此为半导体行业提供排放处理系统的制造商们不得不激烈竞争，以降低他们排放处理系统的运营成本和环境负担，这些优势可以直接转移到太阳能制造业。 现在半导体行业所采用的先进排放处理系统，可以提供比前几代系统更低的拥有成本（CoO）。例如，基于等离子技术的排放处理系统非常节能，并且只使用电力。发电是相对比较清洁的流程，因此这种系统可以同时降低能源成本和对环境的影响。它们降低了化学品的消耗并减少了维修要求，也就是说降低了成本，同时延长了系统正常运行时间。使用时，可以调整基于等离子技术的减排系统，使气体（如氮氟化物、NF3）的销毁率（DRE）达到最大值，并且防止形成四氟化碳（CF4）。这两种气体都是需严格管制的温室气体。 几乎所有其他排放处理技术都通过燃烧废气中的成分气体，产生销毁有害化合物成份所需的热量，从而节省了燃料成本。 如果把水消耗量降到最低作为先决条件，那么系统可以使用所有干式燃烧反应器技术来分解有害化合物，并使用高温粒子过滤系统（而不是洗刷器）来消除气流中的固体副产品。通过节约水资源来降低生产成本，将起到越来越重要的作用。 湿法与干法腔室清洁 在FPD和半导体产业中，利用氟化气体（如NF3或F2）进行干法腔室清洗已经变得非常普遍，这可以增加设备的吞吐量，并减少在设备维护上的人为干预。虽然大多数的平板太阳能电池生产已经转移到干法（等离子）清洗，但是湿法清洗在晶体硅太阳能电池的制造过程中仍然普遍。干法清洗工艺确实产生了一些有高腐蚀性的气体，但是经专门设计的涡轮分子泵和干泵（也是为半导体工艺而开发的）可以抵抗化学物质的侵蚀。 系统集成 太阳能电池制造也可以受益于半导体产业已经建立好的系统集成知识。有效的系统集成方法提供了必要的生产能力和多余产能，可以将系统正常运行时间最大化，而不用产生昂贵的过剩产能。半导体行业对整个fab的排放处理能力的优化设计，就是因系统集成而节省成本的极好例子。 许多半导体工厂添加了多余的排放处理系统，以避免由计划内或计划外的排放处理系统维修所引起的生产停工。通常情况下，单一的排放处理系统支持单一的工艺进程设备。过去确保多余产能的方法是为每一个工艺进程设备添加一个后备系统。虽然这种做法确实将工艺进程的正常运行时间最大化了，但100％的额外容量远远超过了排放处理系统5％的停机时间，所以显得十分昂贵并且低效。 一个更加集成且容易移植到太阳能领域的办法是区域排放处理方案（图2）。在这个模型中，不相容的废气在离开工艺设备时被隔离开，然后导入到一系列排放处理系统中。这一系列系统提供了集中的处理能力和适度的多余产能，同早期情况比，只有不到一半的多余产能系统。通过适当设计的多余产能的额度，可以确保较长的正常运行时间，提高生产力并降低生产成本。所有这些都可以为实现电网平价做出重要的贡献。 结论 利用半导体制造所获得的经验，可以帮助快速成长的太阳能工业保持其绿色形象，同时也加速了其实现与常规能源成本平价的进程。达成平价的关键自然是降低生产成本。 各种各样的系统，如干式真空泵、涡轮分子泵、基于等离子技术的排放处理系统和等离子清洗系统，可以很容易地从半导体产业转移到太阳能制造业。这些系统涉及到太阳能生产的一些关键问题，包括减少设备成本、降低水的消耗和有效处理温室气体及其他有害废弃物。另外，从半导体行业中积累起来的系统集成方面的专业知识，可以确保提高整体生产效率并且降低成本。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (2/3/2009)