光伏組件選型單晶多晶的可靠性與經(jīng)濟(jì)性比較分析

1、光伏組件選型：?jiǎn)尉?、多晶的可靠性與經(jīng)濟(jì)性比較分析本文摘要：?jiǎn)尉Ч杵c多晶硅片在晶體品質(zhì)、電學(xué)性能、機(jī)械性能方面有顯著差異。下面的圖1是晶體硅光伏產(chǎn)業(yè)鏈的完整圖示，從硅料到硅棒、硅片、電池、組件再到系統(tǒng)。如圖中紅色邊框標(biāo)示，單晶和多晶的差別主要在于原材料的制備方面，單晶是直拉提升法，多晶是鑄錠方法，后端制造工藝只有一些細(xì)微差別。單多晶硅片性能對(duì)比單晶硅片與多晶硅片在晶體品質(zhì)、電學(xué)性能、機(jī)械性能方面有顯著差異。下面的圖1是晶體硅光伏產(chǎn)業(yè)鏈的完整圖示，從硅料到硅棒、硅片、電池、組件再到系統(tǒng)。如圖中紅色邊框標(biāo)示，單晶和多晶的差別主要在于原材料的制備方面，單晶是直拉提升法，多晶是鑄錠方法，后端制造工藝只

2、有一些細(xì)微差別。圖1晶體硅光伏產(chǎn)業(yè)鏈圖示晶體品質(zhì)差異圖2展示了單晶和多晶硅片的差異。硅片性質(zhì)的差異性是決定單晶和多晶系統(tǒng)性能差異的關(guān)鍵。左圖是單晶硅片，是一種完整的晶格排列；右圖是多晶硅片，它是多個(gè)微小的單晶的組合，中間有大量的晶界，包含了很多的缺陷，它實(shí)際上是一個(gè)少子復(fù)合中心，因此降低了多晶電池的轉(zhuǎn)換效率。另一方面，單晶硅片的位錯(cuò)密度和金屬雜質(zhì)比多晶硅片小得多，各種因素綜合作用使得單晶的少子壽命比多晶高出數(shù)十倍，從而表現(xiàn)出轉(zhuǎn)換效率優(yōu)勢(shì)。圖2單晶硅片與多晶硅片外觀圖示 單晶是一種完整的晶格排列，在同樣的切片工藝條件下表面缺陷少于多晶，在電池制造環(huán)節(jié)，單晶電池的碎片率也是小于1%的，通

3、常情況下是0.8%左右。單晶硅片可以穩(wěn)定應(yīng)用金剛線切割工藝，顯著降低切片成本，并提高電池轉(zhuǎn)換效率。對(duì)多晶而言，晶體結(jié)構(gòu)的缺陷導(dǎo)致在電池環(huán)節(jié)的碎片率一般大于2%，并且硅片切割工藝的改進(jìn)難度很大，因?yàn)樗鼪]法用金剛線切割，只能用傳統(tǒng)的砂線來切，成本上基本沒有多大的下降空間。電學(xué)性能差異圖3是單多晶的少子壽命對(duì)比。藍(lán)色代表少子壽命較高的區(qū)域，紅色代表少子壽命較低的區(qū)域。很明顯，單晶的少子壽命是明顯高于多晶的。圖3單晶與多晶少子壽命分布比較 機(jī)械性能差異圖4是單晶硅片和多晶硅片的機(jī)械性能電腦分析對(duì)比數(shù)據(jù)?？梢钥闯?，多晶硅片的最大彎曲位移比單晶硅片低1/4，因此在電池的生產(chǎn)和運(yùn)輸過程中更容易破碎

4、。我們今天講電站的質(zhì)量問題，很重要的一點(diǎn)，組件在運(yùn)輸安裝過程中可能產(chǎn)生電池片破碎、隱裂等問題，相對(duì)多晶而言，單晶在運(yùn)輸中的抗破壞性能比較好。另外，在電站長期的高低溫交替過程中，多晶組件更容易發(fā)生隱裂，這樣就降低了組件的輸出功率。圖4單晶硅片與多晶硅片機(jī)械性能比較單多晶電池對(duì)比晶硅電池發(fā)展歷程1839年，法國科學(xué)家貝克雷爾發(fā)現(xiàn)液體的光生伏特效應(yīng)。1917年，波蘭科學(xué)家切克勞斯基發(fā)明CZ技術(shù)，后經(jīng)改良發(fā)展成為太陽能用單晶硅的主要制備方法。1941年，奧爾在硅材料上發(fā)現(xiàn)了光伏效應(yīng)。1954年，美國科學(xué)家恰賓和皮爾松在美國貝爾實(shí)驗(yàn)室首次制成了實(shí)用的單晶硅太陽能電池。1955-1975年，由于單晶電池成

5、本較高，產(chǎn)業(yè)界不斷致力于降低晶體制造成本，并提出鑄錠單晶工藝。1976年，鑄錠單晶技術(shù)失敗，德國瓦克公司率先將鑄錠多晶用于太陽能電池生產(chǎn)，犧牲晶體品質(zhì)以降低發(fā)電成本。2005-2010年，多晶電池技術(shù)基于相對(duì)便宜的成本快速擴(kuò)大份額。2013年，松下HIT單晶電池轉(zhuǎn)換效率達(dá)到25.6%，突破了光伏產(chǎn)業(yè)界最高理論效率極限，人們?cè)俅卧u(píng)估各種技術(shù)的性能和成本區(qū)間。2013-2015年，連續(xù)快速拉晶技術(shù)和金剛線切片技術(shù)的導(dǎo)入使得單晶組件成本與多晶組件成本差距縮小到3%以內(nèi)，采用單晶組件與采用多晶組件的電站單位投資成本持平。預(yù)計(jì)到2016年，隨著PERC等高效技術(shù)的應(yīng)用，單晶組件與多晶組件成本將達(dá)到一致。

6、轉(zhuǎn)換效率對(duì)比影響轉(zhuǎn)換效率的3項(xiàng)主要參數(shù)是：Voc(開路電壓)、Isc(短路電流)、FF(填充因子)，公式為：Eta=Voc×Isc×FF從光電轉(zhuǎn)換效率參數(shù)分解來看，單晶電池的各項(xiàng)參數(shù)全面領(lǐng)先于多晶，詳見表1。一般來講目前工藝下國內(nèi)單晶電池量產(chǎn)效率是19.55%左右，做得好的話可以達(dá)到19.8%-19.9%，取決于它是三柵線還是四柵線；多晶電池量產(chǎn)效率一般是18.12%左右。 表1  量產(chǎn)單晶電池與多晶電池的典型電學(xué)參數(shù)  Jsc(mA/cm2)Voc(V)FF(%)Eta(%)IRev2(A)Rs()Rsh()單晶電池38.

7、140.64379.719.550.0200.0011153多晶電池35.960.63779.118.120.0560.002502下面的表2是單晶電池和多晶電池在量產(chǎn)層面轉(zhuǎn)換效率發(fā)展?jié)摿Φ臄?shù)據(jù)，單晶優(yōu)勢(shì)非常明顯：表2  單晶電池與多晶電池已實(shí)現(xiàn)的最高量產(chǎn)轉(zhuǎn)換效率差異  單晶電池多晶電池一般效率19.55%-19.9%18.0%-18.5%改良效率（PERC）20.5%-21%18.6%-19.0%最高效率（HIT、IBC等）22%-23%尚無量產(chǎn)在實(shí)驗(yàn)室記錄方面，單晶技術(shù)潛力的優(yōu)勢(shì)更加顯著。多年前澳大利亞新南威爾士大學(xué)開發(fā)出的P型單晶硅電池（PERL）

8、最高轉(zhuǎn)換效率可達(dá)25%，這一紀(jì)錄多年沒有被打破。PERL與我們現(xiàn)在做的PERC差別就在于，PERL在BSF上不使用鋁擴(kuò)散，而是采用了硼擴(kuò)散，因此轉(zhuǎn)換效率比PERC更高一點(diǎn)。目前SunPower開發(fā)出的N型單晶硅IBC電池的最高轉(zhuǎn)換效率達(dá)25%，松下N型單晶硅HIT異質(zhì)結(jié)電池轉(zhuǎn)換效率高達(dá)24.7%，去年推出的"HIT+IBC"電池的效率高達(dá)創(chuàng)記錄的25.6%(Panasonic)。以上數(shù)據(jù)全部是基于單晶硅技術(shù)的實(shí)驗(yàn)室記錄，而多晶硅電池最高實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)換效率僅為20.8%，差別是比較大的。單晶硅電池在各項(xiàng)主要參數(shù)上均全面高于多晶硅電池，在未來高效率發(fā)展方面具有更大的潛力。下圖5是單

9、多晶量子效率的對(duì)比，結(jié)果顯示單晶電池?zé)o論是在短波還是近紅外波段，量子效率都明顯高于多晶。這主要是由于多晶硅片存在較高的晶界和位錯(cuò)缺陷，少子壽命普遍低于單晶。圖5單多晶量子效率比較另外，單晶具有更好的弱光響應(yīng)。從圖6可以看出，在輻照高的地方單多晶相差不大，但在輻照低的地方，單晶電池的弱光響應(yīng)是明顯高于多晶的，這也反映在全年的發(fā)電量差別上面。圖6單多晶弱光響應(yīng)能力比較制程差異在制程方面，單晶比多晶更環(huán)保、成本更低。電池的制程工藝包括制絨、擴(kuò)散、刻蝕、鍍膜、印刷、燒結(jié)等，單晶電池和多晶電池的制備工藝主要差別在制絨環(huán)節(jié)，其余環(huán)節(jié)僅僅是控制標(biāo)準(zhǔn)的差異。單晶制絨采用堿溶液腐蝕，腐蝕過程中產(chǎn)生硅酸鹽和氫氣副

10、產(chǎn)物，通過應(yīng)用制絨輔助液代替或部分代替異丙醇（IPA），可實(shí)現(xiàn)更低的BOD、COD污水排放，且單晶制絨體系對(duì)于設(shè)備硬件的要求很低，更容易實(shí)現(xiàn)環(huán)保和工藝控制。多晶采用酸溶液腐蝕，需要使用高濃度的硝酸和氫氟酸，主要副產(chǎn)物為氟硅酸和NOx，而Nox是一種很難徹底處理的大氣污染物，考慮到這些因素，需要使用嚴(yán)格封閉的自動(dòng)化設(shè)備。多晶制絨的設(shè)備購置和維護(hù)成本遠(yuǎn)高于單晶。溫度系數(shù)對(duì)比單晶材料沒有晶界，材料純度高，內(nèi)阻小，溫度升幅較?。涣硪环矫?，多晶電池的光電轉(zhuǎn)換效率較低，它將更多的光能轉(zhuǎn)換為熱能而非電能，也導(dǎo)致多晶的溫度升高更明顯。在最高光強(qiáng)下，單晶工作溫度比多晶低56左右，部分地區(qū)的多晶工作溫度可以比單晶

11、高出10以上，因而多晶的功率損失較大，單晶的功率損失較小。從溫度系數(shù)本身來看，單晶溫度系數(shù)是略低于多晶的，因此同樣升高1的情況下單晶功率損失也少于多晶。PERC電池技術(shù)簡(jiǎn)述幾年前光伏工業(yè)界把高效電池的注意力主要放在選擇性發(fā)射極電池技術(shù)？現(xiàn)在業(yè)內(nèi)不再做選擇性發(fā)射極電池而更加關(guān)注PERC電池，因?yàn)檫x擇性發(fā)射極電池主要是提高了短波段吸收能力，但是反映在組件上，由于EVA本身吸收的也是紫外光的短波段，所以它在組件方面沒有體現(xiàn)出明顯優(yōu)勢(shì)，選擇性發(fā)射極技術(shù)就被淘汰了。而PERC電池主要是表現(xiàn)在近紅外、紅外波段的吸收，而EVA不吸收紅外波段的太陽能，所以PERC技術(shù)更好的把電池效率的提升反應(yīng)到到組件效率的提

12、升。PERC電池具有以下特點(diǎn)：電池效率絕對(duì)值在單晶上可提高1%，在多晶上可提高0.5%，因此在單晶上采用PERC技術(shù)優(yōu)勢(shì)更大。PERC技術(shù)具有與現(xiàn)有產(chǎn)線兼容度高，易于進(jìn)行產(chǎn)線升級(jí)，并可降低電池片每瓦成本。PERC電池已經(jīng)成為行業(yè)主流技術(shù)并逐步替代常規(guī)電池。通過工藝優(yōu)化，在近1-2年內(nèi)可逐步將量產(chǎn)效率提升至21%，SolarWorld公司近期在實(shí)驗(yàn)室的P型單晶硅PERC電池效率已經(jīng)達(dá)到了21.7%。以上所述的為P型PERC電池技術(shù)，下一代的N型PERC技術(shù)，不僅可以解決LID的問題，而且量產(chǎn)轉(zhuǎn)換效率可以進(jìn)一步提升至22%。樂葉光伏2015年下半年將會(huì)在合肥基地量產(chǎn)高效PERC單晶電池組件，接下來

13、在江蘇泰州將會(huì)新增2GW的PERC電池產(chǎn)能。圖6PERC電池結(jié)構(gòu)與工藝圖示 HIT電池技術(shù)簡(jiǎn)述 HIT電池具有以下特點(diǎn)：采用N型單晶硅片，完全避免了LID現(xiàn)象。目前實(shí)驗(yàn)室最高轉(zhuǎn)換效率24.7%，量產(chǎn)效率可達(dá)22%，結(jié)合IBC工藝的效率可以達(dá)到25.6%。采用非晶硅薄層進(jìn)行雙面鈍化，電池開壓可提升至740毫伏。全程采用低溫制造工藝，可以形成全對(duì)稱雙面電池構(gòu)造，避免高溫制程對(duì)硅片的損傷以及彎片現(xiàn)象，能夠有效降低組件封裝時(shí)的碎片率，并且制作雙玻組件也非常有優(yōu)勢(shì)。制程相對(duì)簡(jiǎn)單，但工藝難度高，要做好是非常不容易的，主要是非晶硅薄膜層非常薄，只有5-10個(gè)納米，所以均勻性控制很不容易。

14、另外，它目前的成本比PERC要高，一是設(shè)備投入高，二是HIT使用N型硅片，低溫銀漿和TCO等原材料成本高。溫度系數(shù)很低，大約-0.25%/，比一般的晶體硅要低很多，因此總體的發(fā)電量比較高。另外，可制成雙面電池，背面也可以貢獻(xiàn)發(fā)電量。圖7HIT電池結(jié)構(gòu)圖示IBC電池技術(shù)簡(jiǎn)述IBC電池也是采用N型單晶硅片生產(chǎn)，目前實(shí)驗(yàn)室最高效率可達(dá)到25%，量產(chǎn)平均效率23%。從圖8可以看到，IBC電池正面沒有柵線，所有的柵線全部集中在后面。它最大的特點(diǎn)是制程比較復(fù)雜，目前有十六七道的制程工藝，成本比較高昂，限制了該技術(shù)的發(fā)展。目前工業(yè)界著重開發(fā)低成本IBC技術(shù)。圖8IBC電池結(jié)構(gòu)圖示 松下將IBC和H

15、IT技術(shù)相結(jié)合，創(chuàng)造了新的轉(zhuǎn)換效率世界紀(jì)錄，高達(dá)25.6%。它的開路電壓達(dá)到740mV，Jsc是41.8mA/cm2，F(xiàn)F是82.7%，硅片厚度是150m。圖9HIT+IBC電池參數(shù)圖示 IBC電池的應(yīng)用示例：陽光動(dòng)力2號(hào)采用高效N型IBC單晶電池覆蓋機(jī)翼，轉(zhuǎn)換效率23%，完全依靠太陽能電力完成環(huán)球飛行。圖10IBC電池在陽光動(dòng)力2號(hào)的應(yīng)用電池技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)預(yù)測(cè)未來單晶的市場(chǎng)份額將逐步超越多晶。N型高效電池的市場(chǎng)份額將逐步升高，取決于N型電池成本降低的速度。PERC電池的市場(chǎng)份額將在2018年后超越目前常規(guī)電池，且份額將逐步擴(kuò)大。PERC電池將有很長的生命周期，在相當(dāng)長一段時(shí)間內(nèi)和N型

16、電池共存于市場(chǎng)中。圖11ITRPV對(duì)電池技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)的預(yù)測(cè)單多晶電站投資收益對(duì)比目前60片封裝的高功率組件，單晶量產(chǎn)功率為275W，多晶量產(chǎn)功率為260W，單晶組件價(jià)格為4.11元/W左右，多晶為3.98元/W左右。由于單晶組件在每個(gè)方陣中使用的數(shù)量較少，有效節(jié)約了支架、夾具、匯流箱、光伏電纜、基礎(chǔ)工程、安裝工程等，因此在總的投資成本上，單晶系統(tǒng)與多晶系統(tǒng)基本相同。具體的分析數(shù)據(jù)下表1所示發(fā)電量和長期可靠性對(duì)比目前為止經(jīng)歷過長期運(yùn)行考驗(yàn)的電站絕大多數(shù)采用單晶組件，典型案例包括：1982年，歐洲第一個(gè)并網(wǎng)光伏系統(tǒng)在瑞士建成，采用單晶組件，裝機(jī)容量10KW，年均衰減0.4%。1984年，加州1MW

17、光伏電站采用單晶組件，至今仍運(yùn)行完好。1984年，蘭州最早的光伏電站采用單晶組件，年均衰減0.37%。1994年，浙江寧波最早的單晶電站，21年總功率衰減13.1%。德國至今已運(yùn)行18年的MW級(jí)屋頂電站，采用西門子單晶組件年衰減約0.4%，至今無質(zhì)量問題。"尋找最美老組件"首站云南，屋頂單晶系統(tǒng)運(yùn)行接近30年，最近15年修正光衰不超過8%。目前國內(nèi)有大量的電站運(yùn)行實(shí)例，證明在同一地區(qū)、同樣的建設(shè)條件和BOS條件下，每瓦單晶發(fā)電量顯著高于多晶，典型案例包括：青島隆盛光伏車棚，單晶每瓦發(fā)電量比多晶高6.6%。中山大學(xué)六種太陽電池光伏陣列實(shí)際發(fā)電性能比較(2008.1-2008.7)證實(shí)每瓦單晶發(fā)電量比多晶高5.7%。浙江大學(xué)硅材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)數(shù)據(jù)(2013.7-2014.6)：同樣標(biāo)稱容量的單晶發(fā)電量比多晶高7%以上。呼和浩特市某光伏項(xiàng)目單、多晶陣列數(shù)據(jù)比較：同一項(xiàng)目同等容量的單晶陣列比多晶年發(fā)電量高7%。寧夏中衛(wèi)、同心各30MW電站比較，單晶發(fā)電量高6.52%。格爾木陽光能源10MW單晶系統(tǒng)/10MW多晶系統(tǒng)比較：?jiǎn)尉Оl(fā)電量比多晶高5.12%?？偨Y(jié)單晶硅片比多晶硅片有更高的機(jī)械強(qiáng)度，更低的碎片率。單晶硅電池比多晶硅電池有更高的轉(zhuǎn)換效率和更大的效率提升空間。