Photovoltaik-Wafer: Entwicklung von 100 mm bis 210 mm

Kurze Antwort: Photovoltaik-Wafer haben sich von Kantenlängen von 100 mm und 125 mm über 156 mm bis zu den heutigen Formaten 182 mm und 210 mm entwickelt. Jeder Schritt folgte derselben Rechnung: Ein größerer Wafer erzeugt mehr Watt pro Zelle, und eine größere Zelle reduziert die Anzahl der Zellen, Lötstellen und Handhabungsschritte pro Modul, was die Kosten pro Watt senkt, selbst wenn der Wafer selbst mehr kostet. Der Übergang betraf nie nur den Wafer. Der Wechsel zu 210 mm erzwang Änderungen bei der Stringer-Handhabung, der Ribbon-Länge, der Größe der Laminatorkammer und der Transportverpackung und trieb die Modulleistung von etwa 400 W in Richtung 600 W und darüber hinaus. Für ein Werk, das Ausrüstung auswählt, ist die praktische Frage, auf welches Format Ihre Linie ausgelegt sein sollte, denn ein für eine Formatfamilie spezifizierter Stringer lässt sich nicht automatisch für die nächste umspezifizieren.

PV-Modulfertigung · von Jerry, Ooitech

Produkteinführung

Wenn Sie die Entwicklung von Photovoltaik-Wafern verfolgt haben, wissen Sie, dass die Kantenlänge von Solar-Wafern von 100mm auf 125mm, dann auf 156mm und bis zu den heutigen 210mm gewachsen ist.

Wir können deutlich sehen, dass mit der Reifung der Photovoltaikindustrie 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) Waferhersteller

Größere Wafergrößen helfen Waferunternehmen, drei Hauptkosten zu senken: Siliziummaterial, Kristallziehen und Sägen.

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

Fixe Kosten wie Geräteabschreibung, Energieverbrauch und Arbeitskräfte werden auf eine größere Waferfläche verteilt, sodass die Nicht-Silizium-Kosten pro Wafer (wie Strom und Materialien) deutlich sinken. Laut Branchendaten kann die Umstellung von 156mm auf 210mm die Nicht-Silizium-Kosten der Waferstufe um etwa 20%-30% senken.

2) Zellhersteller

Größere Wafer reduzieren den "Kantenverlust" von Zellen, da je größer die Waferfläche, desto geringer der Anteil ungültiger Kantenbereiche ist.

Die "Liniengeschwindigkeit" der Zellproduktion ist im Grunde festgelegt (wie die Zykluszeit von PECVD und Siebdruck), sodass eine größere Größe die Zellausbeute einer einzelnen Produktionslinie proportional erhöht und die Verbrauchskosten für Silberpaste, Targets und andere Materialien pro Zelle senkt. Zum Beispiel beträgt der Silberpastenverbrauch einer 210mm-Zelle etwa das 1,3-fache einer 182mm-Zelle, aber die Fläche ist 1,82-mal größer, sodass die Silberpastenkosten 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 Folie, Rahmen und Anschlussdosees, zusammen mit den Arbeits- und Ausrüstungskosten für Prozesse wie Stringing und Laminierung. Eine größere Größe bedeutet, dass pro Watt weniger Hilfsmaterial verwendet wird, und die Arbeitskosten pro Watt werden ebenfalls reduziert.

4) Kraftwerksinvestoren

Größere Module können eine höhere Leistungsdichte liefern (z.B. haben 210R-Zellmodule 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 gemeinschaftliche Aufwertung der "Kostensenkung und Effizienzsteigerung" für Waferhersteller, Zellentester, Modulhersteller, Kraftwerksinvestoren und viele andere Beteiligte. Durch die Vergrößerung der Produktionseinheit und die Senkung der Stückkosten werden die Dividenden die Kette hinunter an die nachgelagerten Akteure weitergegeben.

Technische Parameter

Technische Vorteile

• Größere Wafer senken Siliziummaterial-, Kristallzieh- und Sägeschnittkosten in der Fertigungsphase

• Eine einzelne Sägemaschine kann die Stundenleistung um mehr als 80% steigern, wenn man von 156mm auf 210mm umstellt

• Die Nicht-Siliziumkosten der Waferstufe können bei der Umstellung von 156mm auf 210mm um etwa 20%-30% sinken

• Reduzierter Kantenverlust und geringere Silberpastekosten pro Watt (etwa 28% niedriger für 210mm Zellen)

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

Produktanwendung

Die Geschichte der PV-Wafer-Entwicklung

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

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

156mm-Wafer (8-Zoll-Kristallwachstum) wurden dann zur Mainstream-Größe. Danach begann die Industrie, kleine Vergrößerungen auf der 8-Zoll-Kristallwachstumsplattform zu testen. Ende 2013 veröffentlichten fünf Unternehmen, darunter Zhonghuan und Longi, gemeinsam die Waferstandards M1 (156,75-φ205mm) und M2 (156,75-φ210mm). Ohne die Modulgröße zu ändern, erhöhte M2 die Waferfläche (um 2,2%) und steigerte die Modulleistung um mehr als 5W, wurde schnell zum Industriestandard und blieb mehrere Jahre stabil.

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

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

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

Im August 2019 machte Zhonghuan einen Sprung und brachte den G12-Einkristallwafer mit einer Kantenlänge von 210 mm heraus, wobei die Wafergrößenspezifikation der Halbleiter direkt auf die Photovoltaik übertragen wurde. Ziel war es, durch größere Wafer einen Sprung bei der Modulleistung und eine weitere Senkung der Herstellungskosten zu erreichen. Aber zu dieser Zeit hatte der 210-Wafer fast keine Unterstützung von vor- oder nachgelagerten Branchen in der PV-Kette, und der Großteil der Branche stand der 210er-Größe skeptisch gegenüber.

Im Jahr 2019 brachten Trina und Zhonghuan, die frühesten Anwender des 210-Wafers, die nächste Generation neuer Modulprodukte heraus. Basierend auf der 50er-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 mit 6 Zellsäulen hergestellt werden, sondern nur mit einer ungeraden Anzahl von 5 Säulen, und das ungerade Säulenlayout 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 Halbschnitt verwenden, sondern mussten in Drittel geschnitten werden.

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

Also wählten diese drei Unternehmen nicht 210, und sie kamen alle zufällig auf die Idee, das traditionelle gerade 6-Säulen-Zelllayout zu verwenden, um 500W+ Produkte zu erreichen. Tatsächlich waren die Spezifikationen der drei zunächst nicht gleich. Jinko und JA Solar einigten sich ungefähr Ende des ersten Quartals 2020 auf eine Wafergröße von 180 mm, während Longi zunächst eine Größe von 17X festlegte. Nach Kommunikation und Verhandlung 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-Einkristallwafer basierend auf der 182-mm-Spezifikation.

Die heute verwendete Zellgröße von 183,75*182,2 basiert auf der technischen Grundlage von 182 mm. Genau wie die frühere Kantenlänge von 156 mm kontinuierlich auf 158,75 erhöht wurde, vergrößert sie die Zellfläche durch technische Upgrades, ohne die Modulgröße zu ändern, und verbessert so die Effizienz der Stromerzeugung.

Die Logik des Wafers mit 182 mm Kantenlänge unterscheidet sich von der sprunghaften Einführung der 210 mm Kantenlänge. 182 wurde durch eine Rückwärtsableitungslogik basierend auf den bestehenden Randbedingungen der Branche erzeugt. 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 bei einem 6-spaltigen Zelllayout zu einer Zellgröße von 182 mm führt.

Einerseits ist die Leistung des 182-Moduls höher als die des früheren 50er-210-Moduls. Wichtiger ist, dass das 182-Modul das ausgereifte 6-spaltige Layout und die technische Lösung mit 2-geteilten Zellen vollständig fortsetzte, mit besserer Produktleistung und einer ausgereiften unterstützenden Lieferkette vor- und nachgelagerter Bereiche. Nach der damaligen Denklogik der Branche konnte 210 nicht in ein 6-spaltiges Zelllayout umgesetzt werden, da weder der Glasofen noch der Container dies unterstützten. Es schien, dass 210 kurz davor war, eine gescheiterte Lösung zu werden.

Trina, der Anführer des 210-Lagers, durchbrach jedoch das festgefahrene Denken der meisten Branchenakteure und untergrub die traditionelle Designlogik, indem sie schnell ein 60-Zellen-210-Modulprodukt auf Basis eines 6-spaltigen Zelllayouts und 2-geteilten 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 die seitliche Platzierung in zwei Lagen von 6-spaltigen 210-Modulen nicht unterstützt, dann platzieren Sie die Module einfach vertikal im Container; wenn der Glasofen es nicht unterstützt, dann arbeiten Sie mit Glasfabriken zusammen, um die Produktionslinie zu upgraden; wenn der Strom der 2-geteilten 210-Zelle zu hoch für den Wechselrichter ist, dann kooperieren Sie mit Wechselrichterherstellern, um eine neue Generation von Produkten zu entwickeln. In der zweiten Hälfte von 2020 führte Trina auch eine Gruppe von Herstellern an, um die 600W+ Industrieallianz zu gründen, 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 Lösung mit rechteckigen Wafern vor und brachte ein 182-mm210mm rechteckiger Wafer. Das Modul auf Basis des rechteckigen Wafers hat eine Breite von 1134mm, konsistent mit der traditionellen 182er Modulbreite, während die Länge 238X beträgt. Dann veröffentlichten 2023 neun führende Unternehmen, darunter Jinko, JA Solar und Longi, gemeinsam die Größe des rechteckigen Wafer-Moduls, bestätigt als 23821134.

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

Im heutigen Jahr 2026, nach mehreren Jahren von Größenstreitigkeiten, hat die PV-Industrie derzeit drei gängige Wafer-Spezifikationen: 183.75182.2mm, 210182.2mm und 210210mm. Unter ihnen hat der 183.75182.2mm Wafer, als fortschrittliche Version der 182er Serie, den Vorteil der bestehenden Kapazität; das Modul aus dem 210182.2mm Wafer wird als goldene Größe bezeichnet, mit niedrigeren Transportkosten bei PV-Exporten, und es ist kompatibel mit den Produktionslinien der 182er Serie Module; der Marktanteil des 210210mm Wafers steigt ebenfalls allmählich.

Ooitech Standpunkt

Ooitech glaubt: Die Entwicklung der PV-Wafergrößen von 100mm auf 210mm ist grundlegend eine kollaborative Aufwertung über die gesamte Industriekette, die Produktionseinheiten vergrößert, um Stückkosten zu senken und die Dividenden nachgelagert weiterzugeben.