Die Entwicklungsgeschichte der Photovoltaik-Wafergrößen

Produkteinführung

Wenn Sie die Entwicklung der Photovoltaik-Wafer verfolgt haben, wissen Sie, dass die Kantenlänge von Solarwafern von 100 mm auf 125 mm, dann auf 156 mm und bis heute auf 210 mm gewachsen ist.

Wir können deutlich sehen, dass mit der Reifung der Photovoltaik-Industrie die Wafergrößen immer größer werden. Welche Auswirkungen hat eine größere Wafergröße auf die gesamte PV-Industriekette? Und worauf basieren diese Größenänderungen eigentlich?

Auswirkungen auf die PV-Industriekette

1) Wafer-Hersteller

Größere Wafergrößen helfen Wafer-Unternehmen, drei Hauptkosten zu senken: Siliziummaterial, Kristallziehen und Sägen.

Die Kernausrüstung für die Wafer-Herstellung (wie Einkristallöfen und Sägewerke) wird normalerweise in „Chargen pro Stunde“ oder „Scheiben pro Maschinenschicht“ gemessen. Eine größere Größe bedeutet, dass ein einzelner Ofen oder eine einzelne Maschine pro Durchlauf mehr Wafer produziert. Zum Beispiel ist die Fläche eines 210-mm-Wafers etwa 1,82-mal so groß wie die eines 156-mm-Wafers. Wenn die Sägeausbeute gleich bleibt, kann die stündliche Ausgabe einer einzelnen Sägewerk um mehr als 80 % steigen.

Fixkosten wie Geräteabschreibung, Energieverbrauch und Arbeit werden auf eine größere Waferfläche verteilt, sodass die Nicht-Silizium-Kosten pro Wafer (wie Strom und Material) deutlich sinken. Laut Branchendaten kann der Umstieg von 156 mm auf 210 mm die Nicht-Silizium-Kosten der Wafer-Stufe um etwa 20 %–30 % senken.

2) Zellenhersteller

Größere Wafer reduzieren den „Kantenverlust“ von Zellen, da mit größerer Waferfläche der Anteil der ungültigen Kantenbereiche geringer wird.

Die "Linien-Geschwindigkeit" der Zellproduktion ist im Wesentlichen festgelegt (z. B. die Taktzeit von PECVD und Siebdruck), daher erhöht eine größere Größe den Zellausstoß einer einzelnen Produktionslinie proportional und senkt die Verbrauchskosten für Silberpaste, Targets und andere Materialien pro Zelle. Beispielsweise beträgt der Silberpasteverbrauch einer 210-mm-Zelle etwa das 1,3-fache einer 182-mm-Zelle, aber die Fläche ist 1,82-mal größer, sodass die Silberpastekosten pro Watt tatsächlich um etwa 28 % sinken.

3) Modulhersteller

Zellen aus größeren Wafern zwingen die Modulgröße zu wachsen, was es Modulherstellern ermöglicht, Verpackungskosten zu senken und eine höhere Leistungsdichte zu erreichen.

Die Kernkosten der Modulverpackung sind Hilfsmaterialien wie Glas, Verkapselungsfolie, Rahmen und Anschlussdosen sowie die Arbeits- und Ausrüstungskosten von Prozessen wie Stringing und Laminierung. Eine größere Größe bedeutet weniger Hilfsmaterial pro Watt und auch die Arbeitskosten pro Watt werden reduziert.

4) Kraftwerksinvestoren

Größere Module können eine höhere Leistungsdichte liefern (z. B. haben 210R-Zellenmodule 600W+ erreicht, und 700W+ Module aus 210-Zellen sind bereits in Massenproduktion), wodurch die Anzahl der Module, die Menge an Montagestrukturen und die Kabellänge, die ein Kraftwerk benötigt, reduziert werden, was indirekt die Kosten für Kraftwerksinvestoren senkt.

Das kontinuierliche Wachstum der Wafergrößen ist im Wesentlichen eine gemeinsame Aufwertung der "Kostensenkung und Effizienzsteigerung" für Waferhersteller, Zelltester, Modulhersteller, Kraftwerksinvestoren und viele andere Parteien. Durch die Skalierung der Produktionseinheitsgröße und die Senkung der Stückkosten werden die Dividenden die Kette hinunter an die nachgelagerten Akteure weitergegeben.

Technische Parameter

Technische Vorteile

• Größere Wafer senken die Kosten für Siliziummaterial, Kristallziehen und Sägen in der Herstellungsphase

• Eine einzelne Sägeanlage kann die stündliche Produktion um mehr als 80 % steigern, wenn von 156 mm auf 210 mm umgestellt wird

• Die Nicht-Silizium-Kosten der Wafer-Stufe können bei der Umstellung von 156 mm auf 210 mm um etwa 20 %–30 % sinken

• Reduzierte Kantenverluste und niedrigere Silberpastekosten pro Watt (etwa 28 % niedriger für 210-mm-Zellen)

• Module mit höherer Leistungsdichte reduzieren die Anzahl der Module, Montagestrukturen und die benötigte Kabellänge

Produktanwendung

Die Geschichte der PV-Wafer-Entwicklung

Da Photovoltaik-Wafer ursprünglich aus Halbleiter-Einkristallmaterialien stammen, folgte die PV-Industrie lange Zeit den Halbleiter-Wafergrößen von 6 Zoll und 8 Zoll (Durchmesser), was den sogenannten 5-Zoll-Wafern (125 mm) und 6-Zoll-Wafern (156 mm) in Bezug auf die Kantenlänge entspricht.

Mit dem Wachstum der PV-Industrie und der steigenden Nachfrage nach Wafern und Zellen sowie dem Fortschritt der inländischen Kristallzieh-, Säge- und Zellproduktionsanlagen verließen die 5-Zoll-Wafer (125 mm) allmählich die PV-Kette. Nach 2012 wurden die 125-mm-Wafer, abgesehen von ein oder zwei speziellen Zellherstellern, im Wesentlichen vom Markt verdrängt.

156-mm-Wafer (8-Zoll-Kristallwachstum) wurden dann zur Mainstream-Größe. Danach begann die Industrie mit kleinen Steigerungen auf der 8-Zoll-Kristallwachstumsplattform zu experimentieren. Ende 2013 veröffentlichten fünf Unternehmen, darunter Zhonghuan und Longi, gemeinsam die Wafer-Standards M1 (156,75-φ205 mm) und M2 (156,75-φ210 mm). Ohne die Modulgröße zu ändern, erhöhte M2 die Waferfläche (um 2,2 %) und steigerte die Modulleistung um mehr als 5 W, wurde schnell zum Industriestandard und blieb mehrere Jahre stabil.

In den folgenden Jahren nutzten große Wafer-Hersteller technische Upgrades auf Basis von M1 und M2, um die Wafer-Kantenlänge kontinuierlich auf 158,75, 161,7, 166 mm und andere Größen zu erhöhen. Der Vorteil des 158,75-mm-Wafers besteht darin, dass die gesamte vorhandene Kapazität durch technische Nachrüstungen zu geringen Kosten aufgerüstet werden konnte. Selbst für sehr alte Zellanlagen blieben die Nachrüstkosten für 1 GW in einem akzeptablen Rahmen.

Der Vorteil des 166,00-mm-Wafers besteht darin, dass seine Fläche 12,22 % größer ist als die von M2, und Module des 72-Typs, die diesen Wafer verwenden, könnten 420-430 W erreichen. Gleichzeitig lag diese Größe nahe an, aber nicht über der Kapazitätsgrenze vorhandener Anlagen, sodass die Nachrüstkosten kontrollierbar blieben.

Von 156 mm bis 166 mm vergrößerten alle Hersteller in dieser Phase die Waferfläche durch technische Upgrades auf der bestehenden 8-Zoll-Kristallwachstumsplattform.

Im August 2019 machte Zhonghuan einen Sprung und brachte den G12-Einkristall-Wafer mit einer Kantenlänge von 210 mm auf den Markt, wobei die Halbleiter-Wafer-Größenspezifikation direkt auf die PV angewendet wurde. Ziel war es, einen Sprung in der Modulleistung und eine weitere Senkung der Herstellungskosten durch größere Wafer zu erreichen. Aber zu dieser Zeit hatte der 210-Wafer fast keine Unterstützung durch vor- oder nachgelagerte Industrien in der PV-Kette, und der Großteil der Branche stand dem 210 skeptisch gegenüber.

Im Jahr 2019 brachten Trina und Zhonghuan, die frühesten Anwender des 210-Wafers, die nächste Generation neuer Modulprodukte auf den Markt. Basierend auf der 50-Version des 210-Wafers erreichte die maximale Leistung 500 W, was auch das erste 500-W-Produkt in der PV-Branche war. Begrenzt durch die damaligen PV-Glasspezifikationen konnte das Modul nicht in 6 Zellspalten hergestellt werden, sondern nur in einer ungeraden Anzahl von 5 Spalten, und das ungerade Spaltenlayout bedeutete, dass das Modul ein Fly-Wire-Design verwenden musste. Auch begrenzt durch den damaligen Wechselrichterstrom konnten die Zellen nicht den in der Branche üblichen Half-Cut verwenden, sondern mussten in Drittel geteilt werden.

Mit der Veröffentlichung von Zhonghuans 210-Kantenlängen-Wafer und dem Vorteil, dass 210-Module 500 W+ Leistung erreichen konnten, gerieten die Modulführer, vertreten durch Jinko, JA Solar und Longi, bis Ende 2019 ins Grübeln. Einerseits wollten diese Unternehmen ein Produkt, um dem Einfluss des 500-W-Moduls entgegenzuwirken; andererseits wollten sie keine Produkte mit ungeraden Spalten und Drittel-Schnitt-Designs herstellen.

Diese drei Unternehmen haben sich also nicht für 210 entschieden, und sie kamen alle zufällig auf die Idee, das traditionelle geradezahlige 6-Spalten-Zellenlayout zu verwenden, um 500W+ Produkte zu erreichen. Tatsächlich waren die Spezifikationen der drei zunächst nicht gleich. Jinko und JA Solar einigten sich Ende des ersten Quartals 2020 grob auf eine Wafergröße von 180 mm, während Longi zunächst eine Größe von 17X festlegte. Nach Kommunikation und Verhandlungen einigten sich die drei Unternehmen schließlich auf die Größe von 182 mm, und im Juni 2020 veröffentlichten die drei führenden Unternehmen zusammen mit 7 anderen Herstellern der Branche gemeinsam den M10-Einkristall-Wafer basierend auf der 182-mm-Spezifikation.

Die heute verwendete Zellgröße von 183,75*182,2 basiert auf der 182-mm-Technik. Genau wie die vorherige Kantenlänge von 156 mm auf 158,75 erhöht wurde, wird die Zellfläche durch technische Upgrades vergrößert, ohne die Modulgröße zu ändern, was die Stromerzeugungseffizienz verbessert.

Die Logik des Wafers mit 182 mm Kantenlänge unterscheidet sich von der sprunghaften Einführung der 210 mm Kantenlänge. 182 wurde durch eine Rückwärtslogik basierend auf den bestehenden Randbedingungen der Branche generiert. Die wichtigsten Randbedingungen waren die Höhe des Versandcontainers und die Breite des Glasofens. Diese beiden Punkte bestimmten, dass die Obergrenze der Modulbreite zwischen 1133-1134 mm liegt, was dann zu einer Zellgröße von 182 mm für ein 6-Spalten-Zellenlayout führt.

Einerseits ist die Leistung des 182-Moduls höher als die des vorherigen 50er-210-Moduls. Noch wichtiger ist, dass das 182-Modul das ausgereifte 6-Spalten-Layout und die 2-Cut-Zellen-Techniklösung vollständig fortsetzte, mit besserer Produktleistung und einer ausgereiften unterstützenden Lieferkette von vor- und nachgelagerten Bereichen. Nach der damaligen Denklogik der Branche konnte 210 nicht in ein 6-Spalten-Zellenlayout umgesetzt werden, da weder der Glasofen noch der Container dies unterstützten. Es schien, dass 210 zu einer gescheiterten Lösung werden würde.

Allerdings durchbrach Trina, der Anführer des 210-Lagers, das festgefahrene Denken der meisten Branchenakteure und stellte die traditionelle Designlogik auf den Kopf, indem sie schnell ein 60-Zellen-210-Modulprodukt basierend auf einem 6-Spalten-Zellenlayout und 2-Cut-Zellen auf den Markt brachte, mit einer Modulleistung von bis zu 600 W (das Modul mit einer Größe von 2172*1303).

Trinas Idee war: Wenn der Container keine zweilagige Seitenplatzierung von 6-spaltigen 210-Modulen unterstützt, dann platzieren Sie die Module einfach vertikal im Container; wenn der Glasofen dies nicht unterstützt, dann arbeiten Sie mit Glasfabriken zusammen, um die Produktionslinie zu verbessern; wenn der 2-Schnitt-210-Zellenstrom für den Wechselrichter zu hoch ist, dann kooperieren Sie mit Wechselrichterherstellern, um eine neue Produktgeneration zu entwickeln. In der zweiten Hälfte des Jahres 2020 gründete Trina auch eine Gruppe von Herstellern, um die 600W+-Industrieallianz zu etablieren, mit dem Ziel, eine koordinierte Förderung der gesamten 210-Industriekette zu erreichen.

Die 6-String-Version des 210-Moduls erreichte eine Breite von 1303 mm und konnte nur vertikal im Container platziert werden. Die vertikale Platzierung verursachte in einigen Szenarien bestimmte Probleme, und viele Kunden mochten diese Methode nicht. Angesichts dieses Problems schlug Trina Mitte 2022 kühn die rechteckige Wafer-Lösung vor und brachte einen 182 mm210 mm rechteckigen Wafer auf den Markt. Das auf dem rechteckigen Wafer basierende Modul hat eine Breite von 1134 mm, was der traditionellen 182-Modulbreite entspricht, während die Länge 238X beträgt. Dann gaben 2023 neun führende Unternehmen, darunter Jinko, JA Solar und Longi, gemeinsam die Größe des rechteckigen Wafer-Moduls bekannt, bestätigt als 23821134.

Für das Modul der Größe 2382*1134 klicken Sie auf den Text, um den vorherigen Artikel anzuzeigen: Warum ist 2382*1134 die goldene Größe für Module?

Im heutigen Jahr 2026, nach mehreren Jahren der Größenstreitigkeiten, hat die PV-Industrie derzeit drei主流 Wafer-Spezifikationen: 183,75182,2 mm, 210182,2 mm und 210210 mm. Darunter hat der 183,75182,2 mm Wafer als fortschrittliche Version der 182er Serie den Vorteil der bestehenden Kapazität; das aus dem 210182,2 mm Wafer hergestellte Modul wird als goldene Größe bezeichnet, mit niedrigeren Transportkosten bei PV-Exporten und Kompatibilität mit den 182er Serien-Modulproduktionslinien; der Marktanteil des 210210 mm Wafers steigt ebenfalls allmählich.

Ooitech Standpunkt

Ooitech glaubt: Die Entwicklung der PV-Wafergrößen von 100 mm auf 210 mm ist im Wesentlichen ein kollaboratives Upgrade der gesamten Industriekette, bei dem die Produktionseinheiten skaliert werden, um die Stückkosten zu senken und die Dividenden nachgelagert weiterzugeben.