摘要：太陽(yáng)能發(fā)電（光伏）與風(fēng)電、核電等同為被世界公認(rèn)的未來(lái)新型能源趨向，隨著環(huán)保壓力越來(lái)越大，太陽(yáng)能作為綠色清潔能源正逐漸被市場(chǎng)接受，開(kāi)始顯現(xiàn)巨大的發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用前景。目前國(guó)內(nèi)太陽(yáng)能行業(yè)正處于蓬勃發(fā)展期，主要分單晶硅、多晶硅和非晶硅等不同的電池類(lèi)型，在整個(gè)太陽(yáng)能電池家族中，非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池因?yàn)槠浼夹g(shù)和應(yīng)用方面的優(yōu)勢(shì)，正在獲得爆發(fā)性增長(zhǎng)。2007年以來(lái)年行業(yè)增速超過(guò)100%，非晶硅產(chǎn)品以?xún)r(jià)格低廉，污染小，制造成本低等優(yōu)點(diǎn)受到廣泛關(guān)注，對(duì)非晶硅太陽(yáng)能電池的制造設(shè)備的需求也在不斷增加。福建鈞石能源有限公司做為國(guó)內(nèi)非晶硅太陽(yáng)能電池行業(yè)的領(lǐng)軍企業(yè)，專(zhuān)業(yè)從事非晶硅太陽(yáng)能電池及其應(yīng)用產(chǎn)品以及生產(chǎn)設(shè)備的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)、制造和銷(xiāo)售，在薄膜技術(shù)，真空處理及精密制造方面有著豐富的經(jīng)驗(yàn)，可為客戶(hù)量身定制具有廣泛應(yīng)用的整線方案及設(shè)備，產(chǎn)品組合包括：獨(dú)有的等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積設(shè)備，用于光伏層的沉積；獨(dú)有的磁控濺射設(shè)備，用于沉積導(dǎo)電電極層；自動(dòng)化整線服務(wù)，經(jīng)集成的成套薄膜太陽(yáng)能電池制造系統(tǒng)。在整線制造工藝的關(guān)鍵流程等離子體化學(xué)氣相沉積設(shè)備（PECVD）和物理氣相沉積設(shè)備（PVD）的自控環(huán)節(jié)，西門(mén)子S7-300和WINCC作為成套薄膜太陽(yáng)能電池控制系統(tǒng)的解決方案，在大批量的應(yīng)用中體現(xiàn)出穩(wěn)定，可靠和故障率低的特點(diǎn)，保障促進(jìn)了福建鈞石能源成套薄膜太陽(yáng)能電池的飛速發(fā)展。
本文結(jié)合非晶硅太陽(yáng)能電池整線制造工藝控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，以福建鈞石能源成套薄膜太陽(yáng)能電池制造系統(tǒng)為例介紹了西門(mén)子S7-300和WINCC控制系統(tǒng)的應(yīng)用情況，并對(duì)一些關(guān)鍵技術(shù)和引領(lǐng)行業(yè)發(fā)展方向的控制理論做深入探討。

關(guān)鍵詞：
福建鈞石能源    非晶硅太陽(yáng)能電池   成套薄膜太陽(yáng)能電池    PECVD     PVD   S7-300  WINCC   西門(mén)子綜合解決方案

行業(yè)概述：
    太陽(yáng)能發(fā)電是一種公平的、無(wú)污染的、絕佳的傳統(tǒng)能源替代品。只是局限于科技水平的現(xiàn)狀，特別是儲(chǔ)能（電池）技術(shù)的現(xiàn)狀，造成其發(fā)電成本過(guò)高（超過(guò)上網(wǎng)電價(jià)），加之當(dāng)前應(yīng)用比較廣泛的上游太陽(yáng)能電池板生產(chǎn)的主要原材料多晶硅在生產(chǎn)加工過(guò)程存在污染環(huán)境的問(wèn)題，使得太陽(yáng)能的發(fā)展受到一些阻力。光伏太陽(yáng)能發(fā)電板將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成電力，晶體硅技術(shù)是光伏工業(yè)使用的原始材料技術(shù)。傳統(tǒng)的晶體硅太陽(yáng)能發(fā)電板首先被廣泛應(yīng)用于太空衛(wèi)星上，這種太陽(yáng)能發(fā)電板是用逐步反復(fù)，批量生產(chǎn)的工序從單晶硅或多晶硅的小晶片制造而成。雖然這種技術(shù)的開(kāi)發(fā)已取得很大的進(jìn)展，但是晶體光伏發(fā)電組件的成本還是因?yàn)椴牧系某杀疽约吧a(chǎn)這種發(fā)電組件所需的煩瑣工藝而持續(xù)居高不下。晶體硅太陽(yáng)能發(fā)電組件體積龐大，容易破碎而且生產(chǎn)耗能更多。生產(chǎn)太陽(yáng)能發(fā)電板的另一種薄膜技術(shù)使用到金屬鎘，這種技術(shù)損害環(huán)境而且在生產(chǎn)過(guò)程中及售后服務(wù)上都需極多的管理維護(hù)。
    從目前國(guó)際太陽(yáng)電池的發(fā)展過(guò)程中看，其趨勢(shì)大致為單晶硅、多晶硅、帶狀硅、薄膜材料（包括微晶硅基薄膜、化合物基薄膜及染料薄膜）。而最后的“薄膜材料”（薄膜電池）正是業(yè)內(nèi)對(duì)以單晶硅和多晶硅為主原料的太陽(yáng)能電池的更新?lián)Q代。一些薄膜電池中已經(jīng)徹底放棄了對(duì)多晶硅的應(yīng)用，從而解決了“環(huán)保技術(shù)不環(huán)保”光伏上游多晶硅生產(chǎn)過(guò)程中存在的污染問(wèn)題。相比于傳統(tǒng)晶體硅電池，非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池具有以下優(yōu)勢(shì)：
1、生產(chǎn)成本低：非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池的生產(chǎn)成本相比晶體硅電池的生產(chǎn)成本具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)；
2、能量返回期短：轉(zhuǎn)換效率為8%的非晶硅太陽(yáng)能電池，其生產(chǎn)用電發(fā)電后收回上述能量的時(shí)間僅為1-1.5年；
3、適于大批量生產(chǎn)：采用大面積多疊成硅基薄膜電池的規(guī)模生產(chǎn)，生產(chǎn)方式具有自動(dòng)化程度高、生產(chǎn)效率高的特點(diǎn)；
4、高溫性能好：當(dāng)太陽(yáng)能電池工作溫度高于標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試溫度25℃時(shí)，其最佳輸出功率會(huì)有所下降，非晶硅太陽(yáng)能電池受溫度的影響比晶體硅太陽(yáng)能電池要小得多；
5、弱光響應(yīng)好，充電效率高：非晶硅材料的吸收系數(shù)在整個(gè)可見(jiàn)光范圍內(nèi)，在實(shí)際使用中對(duì)低光強(qiáng)光有較好的適應(yīng)；
6、薄膜柔性特質(zhì)，適用性好：傳統(tǒng)硅晶電池存在電池主體易破碎、攜帶不便、抗震能力差等缺點(diǎn)，非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池所具有的柔性特質(zhì)，決定了其比傳統(tǒng)硅晶電池的應(yīng)用更廣泛。
    上述獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，令薄膜硅電池在民用領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，如光伏建筑一體化、大規(guī)模低成本發(fā)電站、太陽(yáng)能照明光源等。
    當(dāng)然非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)化過(guò)程中最大的阻力就是難以提高太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率，相比于多晶硅太陽(yáng)能電池高達(dá)22％~27％的轉(zhuǎn)化率，福建鈞石領(lǐng)先于業(yè)界的非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池工藝技術(shù)當(dāng)前階段也只能達(dá)到8%的轉(zhuǎn)化率，雖然最新的工藝有望達(dá)到10%的轉(zhuǎn)化率，但相比多晶硅太陽(yáng)能電池來(lái)講還是存在不小得差距。

企業(yè)介紹：

    福建鈞石能源有限公司是國(guó)內(nèi)非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池僅有的至今成功交付150＋MW成熟整線生產(chǎn)方案的供應(yīng)商，公司專(zhuān)業(yè)從事太陽(yáng)能電池及其應(yīng)用產(chǎn)品以及生產(chǎn)設(shè)備的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)、制造和銷(xiāo)售。公司在泉州、北京、天津設(shè)有太陽(yáng)能電池研發(fā)中心、太陽(yáng)能電池設(shè)備研發(fā)中心和工程中心以及太陽(yáng)能電池生產(chǎn)基地。企業(yè)匯聚了一大批國(guó)內(nèi)外知名太陽(yáng)能電池技術(shù)和管理專(zhuān)家，并與太陽(yáng)能薄膜電池領(lǐng)域國(guó)際權(quán)威的南開(kāi)大學(xué)光電子研究所緊密合作，擁有薄膜電池領(lǐng)域多項(xiàng)技術(shù)專(zhuān)利，技術(shù)開(kāi)發(fā)能力屬于同行業(yè)領(lǐng)先水平，公司定位于成為世界上最大的太陽(yáng)能薄膜電池生產(chǎn)企業(yè)之一。
    福建鈞石能源有限公司的設(shè)備與技術(shù)帶有多項(xiàng)行業(yè)領(lǐng)先的創(chuàng)新設(shè)計(jì)（如下圖），使大面積多疊成硅基薄膜電池的商業(yè)規(guī)模生產(chǎn)成為可能。

    福建鈞石提供的自動(dòng)化整線生產(chǎn)系統(tǒng)，具有高效的產(chǎn)出率，高穩(wěn)定運(yùn)行及較低的設(shè)備維修費(fèi)用。該系統(tǒng)向客戶(hù)提供業(yè)界生產(chǎn)薄膜硅太陽(yáng)能電池最佳性能和最低每瓦生產(chǎn)成本的設(shè)備，為客戶(hù)訂制的可模塊化設(shè)計(jì)有助于系統(tǒng)的進(jìn)一步升級(jí)與擴(kuò)展，從而實(shí)現(xiàn)真正的規(guī)?；a(chǎn)。 

    福建鈞石的整線系統(tǒng)獲得IEC及UL的認(rèn)證，已向多家國(guó)內(nèi)客戶(hù)提供了數(shù)百兆瓦的成套設(shè)備，并且正向亞洲的其他地區(qū)、北美及歐洲擴(kuò)展，客戶(hù)通過(guò)使用福建鈞石的整線生產(chǎn)設(shè)備和認(rèn)證支持服務(wù)已實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)并成功獲得相關(guān)認(rèn)證。
    福建鈞石的整線生產(chǎn)方案由等離子化學(xué)氣相沉積（CVD1100）和背電極磁控濺射（PVD）這兩個(gè)核心設(shè)備及其他配套裝備和技術(shù)所組成，這種模塊化的設(shè)計(jì)具有靈活可塑性，便于系統(tǒng)最優(yōu)化和未來(lái)的升級(jí)。
    CVD-1100型等離子化學(xué)氣相沉積設(shè)備
    PECVD主要構(gòu)成和技術(shù)：
單室操作的不銹鋼全加熱真空室，具備整體保溫結(jié)構(gòu)；
獨(dú)立大容量可換型反應(yīng)箱，周期產(chǎn)量72片，總面積57平方米；
雙真空系統(tǒng)，工藝系統(tǒng)由無(wú)油大抽速干泵和壓力控制系統(tǒng)組成，高真空系統(tǒng)由磁浮分子泵系統(tǒng)構(gòu)成；
控制系統(tǒng)以上位機(jī)組態(tài)軟件為監(jiān)控窗口，PLC作為控制核心，系統(tǒng)通過(guò)PROFIBUS和工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行連接；

工藝軟件系統(tǒng)由獨(dú)特的工藝指令集構(gòu)成，工藝編制安全完善，數(shù)據(jù)安全保存和靈活調(diào)用，可以輕松實(shí)現(xiàn)復(fù)雜工藝的變成和全自動(dòng)操作；
控制軟件具備系統(tǒng)自檢和校準(zhǔn)功能，確保規(guī)模生產(chǎn)的設(shè)備重復(fù)性和良品率；
完善的安全報(bào)警機(jī)制，對(duì)系統(tǒng)硬件工作狀態(tài)、部件互鎖保護(hù)、電源輸入、氣壓、水流、水溫等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控；
多RF電源穩(wěn)定技術(shù)，系統(tǒng)包含18臺(tái)RF射頻電源，通過(guò)工藝軟件進(jìn)行管理的多種控制模式和專(zhuān)利設(shè)計(jì)的FX72反應(yīng)箱，可以使放電穩(wěn)定進(jìn)行，避免不同電源的干擾和串?dāng)_。

PVD磁控濺射 主要構(gòu)成和技術(shù)
十室八靶結(jié)構(gòu)，可以連續(xù)鍍制AZO、Ag、Al等多種薄膜電池背電極；
全不銹鋼真空室，包含內(nèi)部氣體隔離和加熱系統(tǒng)；
采用全自動(dòng)操作，可以配置接口連接其他自動(dòng)設(shè)備；
真空系統(tǒng)采用國(guó)際優(yōu)質(zhì)磁浮式分子泵和大抽速機(jī)械羅茨泵組，最快進(jìn)出片節(jié)拍到小于75s，工作真空穩(wěn)定，無(wú)串氣波動(dòng)；
    獨(dú)立的濺射冷卻水配置系統(tǒng)確保大功率濺射的穩(wěn)定；
完善的安全報(bào)警機(jī)制，對(duì)系統(tǒng)硬件工作狀態(tài)、部件互鎖保護(hù)、電源輸入、氣壓、水流、水溫等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控；
進(jìn)口濺射電源及供氣系統(tǒng)；
控制系統(tǒng)以上位機(jī)組態(tài)軟件為監(jiān)控窗口，PLC作為控制核心，系統(tǒng)通過(guò)PROFIBUS和工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行連接，傳感器可以監(jiān)控每個(gè)陰極、泵、腔室真空度、溫度、工件位置、速度等參數(shù)狀態(tài)，并實(shí)時(shí)顯示在桌面和異常報(bào)警。

SIMATIC S7-300和WINCC在PVD上的應(yīng)用：
    背電極磁控濺射（PVD）主要用來(lái)制作太陽(yáng)能電池板的背電極，它對(duì)整個(gè)電池產(chǎn)品的質(zhì)量起到非常重要的作用，因此對(duì)PVD設(shè)備的控制要求也相對(duì)較高。PVD設(shè)備要求將鋁或氧化鋅等背電極材料通過(guò)磁控濺射的形式鍍到電池片上，并能根據(jù)生產(chǎn)工藝的要求對(duì)濺射電源的功率、傳動(dòng)速度、濺射壓力以及氣體流量等工藝參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。整套控制系統(tǒng)由以下幾部分組成:真空控制單元、傳動(dòng)控制單元、流量控制單元、電源控制單元、測(cè)試檢驗(yàn)單元、數(shù)據(jù)采集單元、真空測(cè)量單元、烘烤加熱單元。
    控制系統(tǒng)選型考慮到系統(tǒng)對(duì)于穩(wěn)定性功能性的需求和需要不斷地進(jìn)行工藝改進(jìn)從而對(duì)控制系統(tǒng)技術(shù)服務(wù)的依賴(lài)性要求，基于西門(mén)子周到的行業(yè)經(jīng)理定點(diǎn)定人的售后服務(wù)模式，綜合考慮最終確定了西門(mén)子SIMATIC S7-300系列可編程控制器做為集成自動(dòng)化控制系統(tǒng)中的控制核心。由于對(duì)設(shè)備中的泵、電源、變頻器的實(shí)時(shí)監(jiān)控要求較高，需要交互的參數(shù)和信息量大，并且需要根據(jù)工藝的變化迅速作出實(shí)時(shí)的調(diào)整，考慮到PROFIBUS總線通訊速率可達(dá)12M，且使用靈活(可根據(jù)GSD文件靈活選擇所需功能塊)，可擴(kuò)展從站數(shù)量多，并被大量控制系統(tǒng)廣泛采用和支持，所以自動(dòng)化控制系統(tǒng)采用PROFIBUS總線的方式來(lái)搭建