De evolutiegeschiedenis van fotovoltaïsche waferformaten

Productintroductie

Als u de ontwikkeling van fotovoltaïsche wafers heeft gevolgd, weet u dat de randlengte van zonne-wafers is gegroeid van 100mm naar 125mm, vervolgens naar 156mm, en helemaal naar de huidige 210mm.

We kunnen duidelijk zien dat naarmate de fotovoltaïsche industrie volwassener is geworden, de wafergroottes steeds groter worden. Dus wat voor impact heeft een grotere wafergrootte op de hele PV-industrieketen? En waar zijn deze maatveranderingen eigenlijk op gebaseerd?

Impact op de PV-industrieketen

1) Waferfabrikanten

Grotere wafergroottes helpen waferbedrijven om drie belangrijke kosten te verlagen: siliciummateriaal, kristaltrekken en snijden.

De kernapparatuur voor waferproductie (zoals enkelfurnaces en snijmachines) wordt meestal gemeten in "batches per uur" of "slices per machinedienst". Een grotere maat betekent dat een enkele oven of machine meer wafers per run produceert. Het oppervlak van een 210mm wafer is bijvoorbeeld ongeveer 1,82 keer dat van een 156mm wafer, dus als de snijopbrengst hetzelfde blijft, kan de uurlijkse output van een enkele snijmachine met meer dan 80% toenemen.

Vaste kosten zoals apparatuurafschrijving, energieverbruik en arbeid worden verdeeld over een groter waferoppervlak, waardoor de niet-siliciumkosten per wafer (zoals elektriciteit en materialen) merkbaar dalen. Volgens industriegegevens kan de overstap van 156mm naar 210mm de niet-siliciumkosten van de waferfase met ongeveer 20%-30% verlagen.

2) Celproducenten

Grotere wafers verminderen het "randverlies" van cellen, omdat hoe groter het waferoppervlak, hoe lager het aandeel van ineffectieve randgebieden.

De "lijnsnelheid" van celproductie is in principe vast (zoals de cyclustijd van PECVD en zeefdruk), dus een groter formaat verhoogt de celopbrengst van een enkele productielijn proportioneel en verlaagt de verbruikskosten van zilverpasta, targets en andere materialen per cel. Het zilverpastaverbruik van een 210mm-cel is bijvoorbeeld ongeveer 1,3 keer dat van een 182mm-cel, maar het oppervlak is 1,82 keer groter, dus de zilverpastakosten per watt dalen met ongeveer 28%.

3) Modulefabrikanten

Cellen gemaakt van grotere wafers dwingen de modulegrootte te groeien, waardoor modulefabrikanten verpakkingskosten kunnen verlagen en een hogere vermogensdichtheid kunnen bereiken.

De kernkosten van moduleverpakking zijn hulpmaterialen zoals glas, encapsulantfolie, frames en aansluitdozen, samen met de arbeids- en apparatuurkosten van processen zoals stringen en lamineren. Een groter formaat betekent dat er minder hulpmateriaal per watt wordt gebruikt en de arbeidskosten per watt worden ook verlaagd.

4) Investeerders in krachtcentrales

Grotere modules kunnen een hogere vermogensdichtheid leveren (bijvoorbeeld 210R-celmodules hebben 600W+ bereikt en 700W+ modules gemaakt van 210-cellen zijn al in massaproductie), waardoor het aantal modules, de hoeveelheid montagestructuren en de kabellengte die een centrale nodig heeft, afnemen, wat indirect de kosten voor investeerders in krachtcentrales verlaagt.

De continue groei van waferformaten is in wezen een gezamenlijke upgrade van "kostenverlaging en efficiëntieverbetering" voor waferfabrikanten, celtesten, modulefabrikanten, investeerders in krachtcentrales en vele andere partijen. Door de productie-eenheidsgrootte te vergroten en de eenheidskosten te verlagen, worden de dividenden doorgegeven aan de downstream-spelers.

Technische Parameters

Technische voordelen

• Grotere wafers verlagen siliciummateriaal-, kristaltrek- en snijkosten in de productiefase

• Een enkele snijmachine kan de productie per uur met meer dan 80% verhogen bij overgang van 156mm naar 210mm

• Niet-siliciumkosten van de waferfase kunnen met ongeveer 20%-30% dalen bij upgrade van 156mm naar 210mm

• Verminderde randverliezen en lagere zilverpasta-kosten per watt (ongeveer 28% lager voor 210mm cellen)

• Modules met hogere vermogensdichtheid verminderen het aantal modules, montagestructuren en benodigde kabellengte

Producttoepassing

De geschiedenis van PV-waferontwikkeling

Omdat fotovoltaïsche wafers oorspronkelijk afkomstig waren van halfgeleider-monokristallijne materialen, volgde de PV-industrie lange tijd de halfgeleider-waferformaten van 6 inch en 8 inch (diameter), overeenkomend met de zogenaamde 5-inch wafer (125mm) en 6-inch wafer (156mm) in randlengte.

Naarmate de PV-industrie groeide en de vraag naar wafers en cellen toenam, en met de vooruitgang van binnenlandse kristaltrek-, snij- en celproductieapparatuur, verdween de 5-inch wafer (125mm) geleidelijk uit de PV-keten. Na 2012, behalve voor een of twee speciale celfabrikanten, werd de 125mm wafer in feite uit de markt gefaseerd.

156mm (8-inch kristalgroei) wafers werden vervolgens het mainstream formaat. Daarna begon de industrie te experimenteren met kleine vergrotingen op het 8-inch kristalgroeiplatform. Eind 2013 brachten vijf bedrijven, waaronder Zhonghuan en Longi, gezamenlijk de M1 (156.75-φ205mm) en M2 (156.75-φ210mm) wafernormen uit. Zonder de modulegrootte te veranderen, verhoogde M2 het waferoppervlak (met 2,2%) en verhoogde het modulevermogen met meer dan 5W, waardoor het snel de industriestandaard werd en enkele jaren stabiel bleef.

In de daaropvolgende jaren gebruikten grote waferfabrikanten technische upgrades op basis van M1 en M2 om de waferrandlengte te verhogen naar 158,75, 161,7, 166 mm en andere afmetingen. Het voordeel van de 158,75 mm wafer is dat alle bestaande interne capaciteit tegen lage kosten kon worden geüpgraded via technische aanpassingen. Zelfs voor zeer oude celinstallaties bleef de retrofitkost van 1 GW binnen een aanvaardbaar bereik.

Het voordeel van de 166,00 mm wafer is dat het oppervlak 12,22% groter is dan M2, en modules van het 72-type die deze wafer gebruiken, kunnen 420-430W bereiken. Tegelijkertijd lag deze maat dicht bij maar niet boven de capaciteitslimiet van bestaande apparatuur, waardoor de retrofitkost beheersbaar bleef.

Van 156 mm tot 166 mm vergrootten alle fabrikanten in deze fase het waferoppervlak via technische upgrades op het bestaande 8-inch kristalgroeplatform.

In augustus 2019 maakte Zhonghuan een sprong en bracht de G12 monokristallijne wafer uit met een randlengte van 210 mm, waarbij de halfgeleiderwafermaatspecificatie direct werd toegepast op PV. Het doel was om een sprong in modulevermogen en een verdere verlaging van de productiekosten te bereiken door grotere wafers. Maar op dat moment had de 210 wafer bijna geen upstream- of downstream-industrieondersteuning in de PV-keten, en het grootste deel van de industrie was sceptisch over 210.

In 2019 brachten Trina en Zhonghuan, de vroegste gebruikers van de 210 wafer, de volgende generatie nieuwe moduleproducten uit. Gebaseerd op de 50-versie van de 210 wafer, bereikte het maximale vermogen 500W, wat ook het eerste 500W-product in de PV-industrie was. Beperkt door de PV-glasspecificaties van die tijd, kon de module niet worden gemaakt met 6 kolommen cellen en kon alleen worden gemaakt met een oneven aantal van 5 kolommen, en de oneven kolomindeling betekende dat de module een vliegdraadontwerp moest gebruiken. Ook beperkt door de omvormerstroom van die tijd, konden de cellen niet de in de industrie gangbare half-cut gebruiken en konden alleen in derden worden gesneden.

Met de release van Zhonghuan's 210 randlengte wafer en het voordeel dat 210 modules 500W+ vermogen konden bereiken, raakten moduleleiders vertegenwoordigd door Jinko, JA Solar en Longi tegen eind 2019 in diepe gedachten. Aan de ene kant wilden deze bedrijven een product om de impact van de 500W-module tegen te gaan; aan de andere kant wilden ze geen producten maken met oneven kolommen en derden-snijontwerpen.

Dus deze drie bedrijven kozen niet voor 210, en ze dachten allemaal toevallig aan het gebruik van de traditionele even genummerde 6-koloms celindeling om 500W+ producten te bereiken. In feite waren de specificaties van de drie in het begin niet hetzelfde. Jinko en JA Solar kwamen ongeveer overeen op een 180mm wafergrootte aan het einde van het eerste kwartaal van 2020, terwijl Longi aanvankelijk een grootte van 17X bepaalde. Na communicatie en onderhandelingen hebben de drie bedrijven de grootte uiteindelijk verenigd tot 182mm, en in juni 2020 hebben de drie toonaangevende bedrijven, samen met 7 andere fabrikanten in de industrie, gezamenlijk de M10 monokristallijne wafer uitgebracht op basis van de 182mm specificatie.

De 183.75*182.2 celgrootte die vandaag wordt gebruikt, is gebaseerd op de 182mm technische basis. Net zoals de vorige 156mm randlengte steeds toenam tot 158.75, verhoogt het de celoppervlakte door technische upgrades zonder de modulegrootte te veranderen, waardoor de energieopbrengst verbetert.

De logica van de 182 randlengte wafer is anders dan de sprongsgewijze introductie van de 210 randlengte. 182 is gegenereerd via een omgekeerde deductielogica op basis van de bestaande randvoorwaarden in de industrie. De belangrijkste randvoorwaarden waren de hoogte van de zeecontainer en de breedte van de glasoven. Deze twee punten bepaalden dat de bovengrens van de modulebreedte tussen 1133-1134mm ligt, wat vervolgens leidt tot een celgrootte van 182mm voor een 6-koloms celindeling.

Aan de ene kant is het vermogen van de 182 module hoger dan dat van de vorige 50-versie 210 module. Belangrijker is dat de 182 module volledig de volwassen 6-koloms indeling en 2-cut cel technische oplossing voortzette, met betere productprestaties en een volwassen ondersteunende upstream en downstream toeleveringsketen. Volgens de denklogica van de industrie op dat moment kon 210 niet worden gemaakt in een 6-koloms celindeling, omdat zowel de glasoven als de container dit niet ondersteunden. Het leek erop dat 210 een mislukte oplossing zou worden.

Echter, Trina, de leider van het 210 kamp, doorbrak het vaste denken van de meeste industriebeoefenaars en ondermijnde de traditionele ontwerplogica, door snel een 60-cell 210 moduleproduct te lanceren op basis van een 6-koloms celindeling en 2-cut cellen, met een modulevermogen tot 600W (de module met een afmeting van 2172*1303).

Trina's idee was: als de container geen tweelaagse zijplaatsing van 6-koloms 210 modules ondersteunt, plaats de modules dan gewoon verticaal in de container; als de glasoven het niet ondersteunt, werk dan samen met glasfabrieken om de productielijn te upgraden; als de 2-cut 210 celstroom te hoog is voor de omvormer, werk dan samen met omvormerfabrikanten om een nieuwe generatie producten te ontwikkelen. In de tweede helft van 2020 leidde Trina ook een groep fabrikanten om de 600W+ industriealliantie op te richten, met als doel een gecoördineerde promotie van de gehele 210-industrieketen te bereiken.

De 6-string versie van de 210 module bereikte een breedte van 1303mm en kon alleen verticaal in de container worden geplaatst. Verticale plaatsing veroorzaakte bepaalde problemen in sommige scenario's, en veel klanten hielden niet van deze methode. Geconfronteerd met dit probleem stelde Trina medio 2022 stoutmoedig de rechthoekige waferoplossing voor, met de lancering van een 182mm210mm rechthoekige wafer. De module op basis van de rechthoekige wafer heeft een breedte van 1134mm, consistent met de traditionele 182 modulebreedte, terwijl de lengte 238X is. Vervolgens hebben in 2023 9 toonaangevende bedrijven, waaronder Jinko, JA Solar en Longi, gezamenlijk de maat van de rechthoekige wafermodule vrijgegeven, bevestigd als 23821134.

Voor de 2382*1134 maat module, klik op de tekst om het vorige artikel te bekijken: Waarom is 2382*1134 de gouden maat voor modules?

In het huidige 2026, na jaren van maatgeschillen, heeft de PV-industrie momenteel drie gangbare wafer-specificaties: 183.75182.2mm, 210182.2mm en 210210mm. Hiervan heeft de 183.75182.2mm wafer, als de geavanceerde versie van de 182-serie, het voordeel van bestaande capaciteit; de module gemaakt van de 210182.2mm wafer wordt de gouden maat genoemd, met lagere transportkosten bij PV-export, en is compatibel met de 182-serie moduleproductielijnen; het marktaandeel van de 210210mm wafer stijgt ook geleidelijk.

Ooitech Standpunt

Ooitech gelooft: de evolutie van PV-wafermaten van 100mm naar 210mm is in de basis een gezamenlijke upgrade van de gehele industrieketen, waarbij productie-eenheden worden opgeschaald om de eenheidskosten te verlagen en de voordelen stroomafwaarts door te geven.