A História da Evolução dos Tamanhos de Wafers Fotovoltaicos

Introdução do Produto

Se você acompanhou o desenvolvimento dos wafers fotovoltaicos, saberá que o comprimento da borda dos wafers solares cresceu de 100mm para 125mm, depois para 156mm, e até os atuais 210mm.

Podemos ver claramente que, à medida que a indústria fotovoltaica amadureceu, os tamanhos dos wafers continuam aumentando. Então, que tipo de impacto um tamanho maior de wafer traz para toda a cadeia da indústria fotovoltaica? E no que essas mudanças de tamanho realmente se baseiam?

Impacto na Cadeia da Indústria Fotovoltaica

1) Fabricantes de Wafers

Tamanhos maiores de wafers ajudam as empresas de wafers a reduzir três custos principais: material de silício, puxamento de cristal e corte.

Os equipamentos principais para fabricação de wafers (como fornos de cristal único e máquinas de corte) são geralmente medidos por "lotes por hora" ou "fatias por turno de máquina". Um tamanho maior significa que um único forno ou máquina produz mais wafers por execução. Por exemplo, a área de um wafer de 210mm é cerca de 1,82 vezes a de um wafer de 156mm, então, se o rendimento de corte permanecer o mesmo, a produção horária de uma única máquina de corte pode aumentar em mais de 80%.

Custos fixos como depreciação de equipamentos, consumo de energia e mão de obra são distribuídos por uma área maior de wafer, então o custo não-silício por wafer (como eletricidade e materiais) cai notavelmente. De acordo com dados da indústria, a atualização de 156mm para 210mm pode reduzir o custo não-silício da etapa de wafer em aproximadamente 20%-30%.

2) Fabricantes de Células

Wafers maiores reduzem a "perda de borda" das células, já que quanto maior a área do wafer, menor a proporção de regiões de borda inválidas.

A "velocidade de linha" da produção de células é basicamente fixa (como o tempo de ciclo do PECVD e da serigrafia), portanto, um tamanho maior aumenta a produção de células de uma única linha de produção proporcionalmente e reduz o custo de consumíveis como pasta de prata e alvos por célula. Por exemplo, o consumo de pasta de prata de uma célula de 210 mm é cerca de 1,3 vezes o de uma célula de 182 mm, mas a área é 1,82 vezes maior, então o custo da pasta de prata por watt realmente cai cerca de 28%.

3) Fabricantes de Módulos

Células feitas de wafers maiores forçam o tamanho do módulo a crescer, o que permite que os fabricantes de módulos reduzam os custos de embalagem e alcancem maior densidade de potência.

Os custos principais da embalagem de módulos são materiais auxiliares como vidro, filme encapsulante, molduras e caixas de junção, juntamente com os custos de mão de obra e equipamentos de processos como estiramento e laminação. Um tamanho maior significa menos material auxiliar usado por watt, e o custo de mão de obra por watt também é reduzido.

4) Investidores de Usinas

Módulos maiores podem fornecer maior densidade de potência (por exemplo, módulos de células 210R atingiram 600W+, e módulos de 700W+ feitos de células 210 já estão em produção em massa), reduzindo o número de módulos, a quantidade de estruturas de montagem e o comprimento do cabo que uma usina requer, o que indiretamente reduz o custo para os investidores de usinas.

O crescimento contínuo dos tamanhos dos wafers é essencialmente uma atualização colaborativa de "redução de custos e melhoria de eficiência" para fabricantes de wafers, teste de células, fabricantes de módulos, investidores de usinas e muitas outras partes. Ao aumentar o tamanho da unidade de produção e reduzir o custo unitário, os dividendos são repassados para os players a jusante.

Parâmetros Técnicos

Vantagens Técnicas

• Wafers maiores reduzem o material de silício, os custos de puxamento e corte na etapa de fabricação

• Uma única máquina de corte pode aumentar a produção horária em mais de 80% ao passar de 156mm para 210mm

• O custo não-silício da etapa de wafer pode cair cerca de 20%-30% ao atualizar de 156mm para 210mm

• Redução da perda de borda e menor custo de pasta de prata por watt (cerca de 28% menor para células de 210mm)

• Módulos de maior densidade de potência reduzem o número de módulos, estruturas de montagem e comprimento de cabo necessários

Aplicação do Produto

A História do Desenvolvimento de Wafers Fotovoltaicos

Como os wafers fotovoltaicos originalmente vieram de materiais monocristalinos de semicondutores, a indústria fotovoltaica seguiu por muito tempo os tamanhos de wafer semicondutores de 6 polegadas e 8 polegadas (diâmetro), correspondendo aos chamados wafers de 5 polegadas (125mm) e 6 polegadas (156mm) em termos de comprimento de borda.

À medida que a indústria fotovoltaica cresceu e a demanda por wafers e células aumentou, e com o progresso dos equipamentos domésticos de puxamento, corte e produção de células, o wafer de 5 polegadas (125mm) gradualmente saiu da cadeia fotovoltaica. Após 2012, exceto por um ou dois fabricantes especiais de células, o wafer de 125mm foi basicamente eliminado pelo mercado.

Wafers de 156mm (crescimento de cristal de 8 polegadas) tornaram-se então o tamanho mainstream. Depois disso, a indústria começou a experimentar pequenos aumentos na plataforma de crescimento de cristal de 8 polegadas. No final de 2013, cinco empresas, incluindo Zhonghuan e Longi, lançaram conjuntamente os padrões de wafer M1 (156.75-φ205mm) e M2 (156.75-φ210mm). Sem alterar o tamanho do módulo, o M2 aumentou a área do wafer (em 2,2%) e elevou a potência do módulo em mais de 5W, tornando-se rapidamente o mainstream da indústria e permanecendo estável por vários anos.

Nos anos seguintes, os principais fabricantes de wafers usaram atualizações técnicas com base no M1 e M2 para continuar aumentando o comprimento da borda do wafer para 158,75, 161,7, 166mm e outros tamanhos. A vantagem do wafer de 158,75mm é que toda a capacidade interna existente poderia ser atualizada por meio de retrofit técnico a baixo custo. Mesmo para fábricas de células muito antigas, o custo de retrofit de 1GW permaneceu dentro de uma faixa aceitável.

A vantagem do wafer de 166,00mm é que sua área é 12,22% maior que o M2, e módulos do tipo 72 usando este wafer poderiam atingir 420-430W. Ao mesmo tempo, este tamanho estava próximo, mas não excedia o limite de capacidade dos equipamentos existentes, então o custo de retrofit permaneceu controlável.

De 156mm a 166mm, todos os fabricantes nesta fase estavam aumentando a área do wafer por meio de atualizações técnicas na plataforma de crescimento de cristal de 8 polegadas existente.

Em agosto de 2019, a Zhonghuan deu um salto e lançou o wafer monocristalino G12 com comprimento de borda de 210mm, aplicando diretamente a especificação de tamanho de wafer de semicondutores à PV. O objetivo era alcançar um salto na potência do módulo e uma redução adicional no custo de fabricação por meio de wafers maiores. Mas naquela época, o wafer 210 quase não tinha suporte upstream ou downstream na cadeia PV, e a maior parte da indústria era cética em relação ao 210.

Em 2019, a Trina e a Zhonghuan, as primeiras a adotar o wafer 210, lançaram a próxima geração de novos produtos de módulos. Com base na versão 50 do wafer 210, a potência máxima atingiu 500W, que também foi o primeiro produto de 500W na indústria PV. Limitado pelas especificações de vidro PV da época, o módulo não podia ser feito com 6 colunas de células e só podia ser feito com um número ímpar de 5 colunas, e o layout de colunas ímpares significava que o módulo tinha que usar um design de fio voador. Também limitado pela corrente do inversor da época, as células não podiam usar o half-cut que era mainstream na indústria, e só podiam ser feitas em terços.

Com o lançamento do wafer de comprimento de borda 210 da Zhonghuan e a vantagem de que os módulos 210 podiam atingir potência de 500W+, no final de 2019, os líderes de módulos representados por Jinko, JA Solar e Longi caíram em profunda reflexão. Por um lado, essas empresas queriam um produto para neutralizar o impacto do módulo de 500W; por outro lado, não queriam fazer produtos com designs de colunas ímpares e corte em terços.

Então, essas três empresas não escolheram 210, e todas coincidentemente pensaram em usar o layout tradicional de 6 colunas de células pares para alcançar produtos de 500W+. Na verdade, as especificações das três não eram as mesmas no início. A Jinko e a JA Solar definiram aproximadamente um tamanho de wafer de 180mm no final do primeiro trimestre de 2020, enquanto a Longi inicialmente determinou um tamanho de 17X. Após comunicação e negociação, as três empresas finalmente unificaram o tamanho para 182mm, e em junho de 2020, as três empresas líderes, juntamente com outros 7 fabricantes do setor, lançaram conjuntamente o wafer monocristalino M10 baseado na especificação de 182mm.

O tamanho de célula 183.75*182.2 usado hoje é baseado na base técnica de 182mm. Assim como o comprimento de borda anterior de 156mm continuou aumentando para 158.75, ele aumenta a área da célula através de atualizações técnicas sem alterar o tamanho do módulo, melhorando a eficiência de geração de energia.

A lógica do wafer de comprimento de borda 182 é diferente da introdução abrupta do comprimento de borda 210. O 182 foi gerado através de uma lógica de dedução reversa baseada nas condições de contorno existentes no setor. As principais condições de contorno eram a altura do contêiner de transporte e a largura do forno de vidro. Esses dois pontos determinaram que o limite superior da largura do módulo está entre 1133-1134mm, o que leva a um tamanho de célula de 182mm para um layout de 6 colunas de células.

Por um lado, a potência do módulo 182 é maior que a do módulo 210 da versão 50 anterior. Mais importante, o módulo 182 continuou totalmente a solução técnica madura de layout de 6 colunas e células de 2 cortes, com melhor desempenho do produto e uma cadeia de suprimentos madura a montante e a jusante. Pela lógica de pensamento do setor na época, o 210 não poderia ser feito em um layout de 6 colunas de células, tanto porque o forno de vidro não suportava quanto o contêiner não suportava. Parecia que o 210 estava prestes a se tornar uma solução fracassada.

No entanto, a Trina, líder do campo 210, rompeu o pensamento fixo da maioria dos profissionais do setor e subverteu a lógica de design tradicional, lançando rapidamente um produto de módulo 210 com 60 células baseado em um layout de 6 colunas de células e células de 2 cortes, com potência do módulo atingindo até 600W (o módulo com tamanho de 2172*1303).

A ideia da Trina foi: se o contêiner não suporta a colocação lateral de duas camadas de módulos de 210 colunas, então simplesmente coloque os módulos verticalmente no contêiner; se o forno de vidro não suportar, então una-se às fábricas de vidro para atualizar a linha de produção; se a corrente da célula 210 de 2 cortes for muito alta para o inversor, então coopere com os fabricantes de inversores para desenvolver uma nova geração de produtos. No segundo semestre de 2020, a Trina também liderou um grupo de fabricantes para estabelecer a aliança da indústria 600W+, visando alcançar a promoção coordenada de toda a cadeia industrial 210.

A versão de 6 strings do módulo 210 atingiu uma largura de 1303mm e só podia ser colocada verticalmente no contêiner. A colocação vertical causava certos problemas em alguns cenários, e muitos clientes não gostavam desse método. Enfrentando esse problema, em meados de 2022, a Trina propôs corajosamente a solução de wafer retangular, lançando um wafer de 182mm210mm retangular. O módulo baseado no wafer retangular tem uma largura de 1134mm, consistente com a largura tradicional do módulo 182, enquanto o comprimento é 238X. Em 2023, 9 empresas líderes, incluindo Jinko, JA Solar e Longi, lançaram conjuntamente o tamanho do wafer retangular, confirmado como 23821134.

Para o módulo de tamanho 2382*1134, clique no texto para ver o artigo anterior: Por que 2382*1134 é o tamanho dourado para módulos?

Em 2026, após vários anos de disputas de tamanho, a indústria fotovoltaica atualmente tem três especificações principais de wafer: 183.75182.2mm, 210182.2mm e 210210mm. Entre eles, o wafer 183.75182.2mm, como a versão avançada da série 182, tem a vantagem da capacidade existente; o módulo feito a partir do wafer 210182.2mm é chamado de tamanho dourado, com custos de transporte mais baixos nas exportações fotovoltaicas, e é compatível com as linhas de produção de módulos da série 182; a participação de mercado do wafer 210210mm também está gradualmente subindo.

Ponto de Vista da Ooitech

A Ooitech acredita: a evolução dos tamanhos de wafer fotovoltaico de 100mm para 210mm é fundamentalmente uma atualização colaborativa em toda a cadeia industrial, escalando unidades de produção para reduzir custos unitários e repassar os dividendos para downstream.