光伏组件选型：单晶、多晶的可靠性与经济性比较分析

光伏组件选型单晶、多晶的可靠性与经济性比较分析本文摘要 单晶硅片与多晶硅片在晶体品质、电学性能、机械性能方面有显著差异。下面的图 1 是晶体硅光伏产业链的完整图示，从硅料到硅棒、硅片、电池、组件再到系统。如图中红色边框标示，单晶和多晶的差别主要在于原材料的制备方面，单晶是直拉提升法，多晶是铸锭方法，后端制造工艺只有一些细微差别。单多晶硅片性能对比单晶硅片与多晶硅片在晶体品质、电学性能、机械性能方面有显著差异。下面的图 1 是晶体硅光伏产业链的完整图示，从硅料到硅棒、硅片、电池、组件再到系统。如图中红色边框标示，单晶和多晶的差别主要在于原材料的制备方面，单晶是直拉提升法，多晶是铸锭方法，后端制造工艺只有一些细微差别。图 1 晶体硅光伏产业链图示晶体品质差异图 2 展示了单晶和多晶硅片的差异。硅片性质的差异性是决定单晶和多晶系统性能差异的关键。左图是单晶硅片，是一种完整的晶格排列；右图是多晶硅片，它是多个微小的单晶的组合，中间有大量的晶界，包含了很多的缺陷，它实际上是一个少子复合中心，因此降低了多晶电池的转换效率。另一方面，单晶硅片的位错密度和金属杂质比多晶硅片小得多，各种因素综合作用使得单晶的少子寿命比多晶高出数十倍，从而表现出转换效率优势。图 2 单晶硅片与多晶硅片外观图示单晶是一种完整的晶格排列，在同样的切片工艺条件下表面缺陷少于多晶，在电池制造环节，单晶电池的碎片率也是小于 1的，通常情况下是 0.8左右。单晶硅片可以稳定应用金刚线切割工艺，显著降低切片成本，并提高电池转换效率。对多晶而言，晶体结构的缺陷导致在电池环节的碎片率一般大于 2， 并且硅片切割工艺的改进难度很大， 因为它没法用金刚线切割，只能用传统的砂线来切，成本上基本没有多大的下降空间。电学性能差异图 3 是单多晶的少子寿命对比。蓝色代表少子寿命较高的区域，红色代表少子寿命较低的区域。很明显，单晶的少子寿命是明显高于多晶的。图 3 单晶与多晶少子寿命分布比较机械性能差异图 4 是单晶硅片和多晶硅片的机械性能电脑分析对比数据。可以看出，多晶硅片的最大弯曲位移比单晶硅片低 1/4 ，因此在电池的生产和运输过程中更容易破碎。我们今天讲电站的质量问题，很重要的一点，组件在运输安装过程中可能产生电池片破碎、隐裂等问题，相对多晶而言，单晶在运输中的抗破坏性能比较好。另外，在电站长期的高低温交替过程中，多晶组件更容易发生隐裂，这样就降低了组件的输出功率。图 4 单晶硅片与多晶硅片机械性能比较单多晶电池对比晶硅电池发展历程1839 年，法国科学家贝克雷尔发现液体的光生伏特效应。1917 年，波兰科学家切克劳斯基发明 CZ技术，后经改良发展成为太阳能用单晶硅的主要制备方法。1941 年，奥尔在硅材料上发现了光伏效应。1954 年， 美国科学家恰宾和皮尔松在美国贝尔实验室首次制成了实用的单晶硅太阳能电池。1955-1975 年，由于单晶电池成本较高，产业界不断致力于降低晶体制造成本，并提出铸锭单晶工艺。1976 年，铸锭单晶技术失败，德国瓦克公司率先将铸锭多晶用于太阳能电池生产，牺牲晶体品质以降低发电成本。2005-2010 年，多晶电池技术基于相对便宜的成本快速扩大份额。2013 年， 松下 HIT 单晶电池转换效率达到 25.6， 突破了光伏产业界最高理论效率极限，人们再次评估各种技术的性能和成本区间。2013-2015 年，连续快速拉晶技术和金刚线切片技术的导入使得单晶组件成本与多晶组件成本差距缩小到 3以内，采用单晶组件与采用多晶组件的电站单位投资成本持平。预计到 2016 年，随着 PERC等高效技术的应用，单晶组件与多晶组件成本将达到一致。转换效率对比影响转换效率的 3 项主要参数是 Voc开路电压 、 Isc 短路电流 、 FF填充因子 ，公式为 EtaVoc Isc FF 从光电转换效率参数分解来看，单晶电池的各项参数全面领先于多晶，详见表 1。一般来讲目前工艺下国内单晶电池量产效率是 19.55左右，做得好的话可以达到 19.8-19.9，取决于它是三栅线还是四栅线；多晶电池量产效率一般是 18.12左右。表 1 量产单晶电池与多晶电池的典型电学参数JscmA/cm2 VocV FF Eta IRev2A Rs Ω Rsh Ω 单晶电池 38.14 0.643 79.7 19.55 0.020 0.001 1153 多晶电池 35.96 0.637 79.1 18.12 0.056 0.002 502 下面的表 2是单晶电池和多晶电池在量产层面转换效率发展潜力的数据， 单晶优势非常明显表 2 单晶电池与多晶电池已实现的最高量产转换效率差异单晶电池 多晶电池一般效率 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 尚无量产在实验室记录方面，单晶技术潜力的优势更加显著。多年前澳大利亚新南威尔士大学开发出的 P 型单晶硅电池（ PERL）最高转换效率可达 25，这一纪录多年没有被打破。 PERL与我们现在做的 PERC差别就在于， PERL在 BSF上不使用铝扩散，而是采用了硼扩散，因此转换效率比 PERC更高一点。 目前 SunPower开发出的 N型单晶硅 IBC电池的最高转换效率达 25，松下 N型单晶硅 HIT 异质结电池转换效率高达 24.7， 去年推出的 “HITIBC“ 电池的效率高达创记录的 25.6Panasonic 。 以上数据全部是基于单晶硅技术的实验室记录， 而多晶硅电池最高实验室转换效率仅为 20.8，差别是比较大的。单晶硅电池在各项主要参数上均全面高于多晶硅电池，在未来高效率发展方面具有更大的潜力。下图 5 是单多晶量子效率的对比，结果显示单晶电池无论是在短波还是近红外波段，量子效率都明显高于多晶。这主要是由于多晶硅片存在较高的晶界和位错缺陷，少子寿命普遍低于单晶。图 5 单多晶量子效率比较另外，单晶具有更好的弱光响应。从图 6 可以看出，在辐照高的地方单多晶相差不大，但在辐照低的地方，单晶电池的弱光响应是明显高于多晶的，这也反映在全年的发电量差别上面。图 6 单多晶弱光响应能力比较制程差异在制程方面，单晶比多晶更环保、成本更低。电池的制程工艺包括制绒、扩散、刻蚀、镀膜、印刷、烧结等，单晶电池和多晶电池的制备工艺主要差别在制绒环节，其余环节仅仅是控制标准的差异。单晶制绒采用碱溶液腐蚀，腐蚀过程中产生硅酸盐和氢气副产物，通过应用制绒辅助液代替或部分代替异丙醇（ IPA），可实现更低的 BOD、 COD污水排放，且单晶制绒体系对于设备硬件的要求很低，更容易实现环保和工艺控制。多晶采用酸溶液腐蚀，需要使用高浓度的硝酸和氢氟酸，主要副产物为氟硅酸和 NOx，而 Nox是一种很难彻底处理的大气污染物，考虑到这些因素，需要使用严格封闭的自动化设备。多晶制绒的设备购置和维护成本远高于单晶。温度系数对比单晶材料没有晶界，材料纯度高，内阻小，温度升幅较小；另一方面，多晶电池的光电转换效率较低，它将更多的光能转换为热能而非电能，也导致多晶的温度升高更明显。在最高光强下， 单晶工作温度比多晶低 56℃左右， 部分地区的多晶工作温度可以比单晶高出 10℃以上，因而多晶的功率损失较大，单晶的功率损失较小。从温度系数本身来看，单晶温度系数是略低于多晶的，因此同样升高 1℃的情况下单晶功率损失也少于多晶。PERC电池技术简述几年前光伏工业界把高效电池的注意力主要放在选择性发射极电池技术现在业内不再做选择性发射极电池而更加关注 PERC电池，因为选择性发射极电池主要是提高了短波段吸收能力，但是反映在组件上，由于 EVA本身吸收的也是紫外光的短波段，所以它在组件方面没有体现出明显优势，选择性发射极技术就被淘汰了。而 PERC电池主要是表现在近红外、红外波段的吸收，而 EVA不吸收红外波段的太阳能，所以 PERC技术更好的把电池效率的提升反应到到组件效率的提升。PERC电池具有以下特点①电池效率绝对值在单晶上可提高 1，在多晶上可提高 0.5，因此在单晶上采用 PERC技术优势更大。② PERC技术具有与现有产线兼容度高，易于进行产线升级，并可降低电池片每瓦成本。③ PERC电池已经成为行业主流技术并逐步替代常规电池。④通过工艺优化，在近 1-2 年内可逐步将量产效率提升至 21， SolarWorld 公司近期在实验室的 P型单晶硅 PERC电池效率已经达到了 21.7。以上所述的为 P 型 PERC电池技术， 下一代的 N型 PERC技术， 不仅可以解决 LID 的问题，而且量产转换效率可以进一步提升至 22。乐叶光伏 2015 年下半年将会在合肥基地量产高效 PERC单晶电池组件，接下来在江苏泰州将会新增 2GW的 PERC电池产能。图 6PERC电池结构与工艺图示HIT 电池技术简述HIT 电池具有以下特点①采用 N型单晶硅片，完全避免了 LID 现象。②目前实验室最高转换效率 24.7，量产效率可达 22，结合 IBC 工艺的效率可以达到25.6。③采用非晶硅薄层进行双面钝化，电池开压可提升至 740 毫伏。④全程采用低温制造工艺，可以形成全对称双面电池构造，避免高温制程对硅片的损伤以及弯片现象，能够有效降低组件封装时的碎片率，并且制作双玻组件也非常有优势。⑤制程相对简单， 但工艺难度高， 要做好是非常不容易的， 主要是非晶硅薄膜层非常薄，只有 5-10 个纳米，所以均匀性控制很不容易。另外，它目前的成本比 PERC要高，一是设备投入高，二是 HIT 使用 N型硅片，低温银浆和 TCO等原材料成本高。⑥温度系数很低，大约 -0.25/ ℃，比一般的晶体硅要低很多，因此总体的发电量比较高。另外，可制成双面电池，背面也可以贡献发电量。图 7HIT 电池结构图示IBC 电池技术简述IBC 电池也是采用 N型单晶硅片生产，目前实验室最高效率可达到 25，量产平均效率23。从图 8 可以看到， IBC 电池正面没有栅线，所有的栅线全部集中在后面。它最大的特点是制程比较复杂，目前有十六七道的制程工艺，成本比较高昂，限制了该技术的发展。目前工业界着重开发低成本 IBC 技术。图 8IBC 电池结构图示松下将 IBC 和 HIT 技术相结合，创造了新的转换效率世界纪录，高达 25.6。它的开路电压达到 740mV， Jsc 是 41.8mA/cm2， FF 是 82.7，硅片厚度是 150μ m。图 9HITIBC 电池参数图示IBC 电池的应用示例阳光动力 2 号采用高效 N型 IBC 单晶电池覆盖机翼，转换效率23，完全依靠太阳能电力完成环球飞行。图 10IBC 电池在阳光动力 2 号的应用电池技术发展趋势预测①未来单晶的市场份额将逐步超越多晶。② N型高效电池的市场份额将逐步升高，取决于 N型电池成本降低的速度。③ PERC电池的市场份额将在 2018 年后超越目前常规电池，且份额将逐步扩大。④ PERC电池将有很长的生命周期，在相当长一段时间内和 N型电池共存于市场中。图 11ITRPV对电池技术发展趋势的预测单多晶电站投资收益对比目前 60 片封装的高功率组件，单晶量产功率为 275W，多晶量产功率为 260W，单晶组件价格为 4.11 元 /W 左右，多晶为 3.98 元 /W左右。由于单晶组件在每个方阵中使用的数量较少，有效节约了支架、夹具、汇流箱、光伏电缆、基础工程、安装工程等，因此在总的投资成本上，单晶系统与多晶系统基本相同。具体的分析数据下表 1 所示发电量和长期可靠性对比目前为止经历过长期运行考验的电站绝大多数采用单晶组件，典型案例包括① 1982 年，欧洲第一个并网光伏系统在瑞士建成，采用单晶组件，装机容量 10KW，年均衰减 0.4。② 1984 年，加州 1MW光伏电站采用单晶组件，至今仍运行完好。③ 1984 年，兰州最早的光伏电站采用单晶组件，年均衰减 0.37。④ 1994 年，浙江宁波最早的单晶电站， 21 年总功率衰减 13.1。⑤德国至今已运行 18 年的 MW级屋顶电站， 采用西门子单晶组件年衰减约 0.4， 至今无质量问题。⑥ “ 寻找最美老组件 “ 首站云南，屋顶单晶系统运行接近 30 年，最近 15 年修正光衰不超过 8。目前国内有大量的电站运行实例，证明在同一地区、同样的建设条件和 BOS条件下，每瓦单晶发电量显著高于多晶，典型案例包括①青岛隆盛光伏车棚，单晶每瓦发电量比多晶高 6.6。②中山大学六种太阳电池光伏阵列实际发电性能比较 2008.1-2008.7 证实每瓦单晶发电量比多晶高 5.7。③浙江大学硅材料重点实验室试验数据 2013.7-2014.6 同样标称容量的单晶发电量比多晶高 7以上。④呼和浩特市某光伏项目单、多晶阵列数据比较同一项目同等容量的单晶阵列比多晶年发电量高 7。⑤宁夏中卫、同心各 30MW电站比较，单晶发电量高 6.52。⑥格尔木阳光能源 10MW单晶系统 /10MW多晶系统比较单晶发电量比多晶高 5.12。总结①单晶硅片比多晶硅片有更高的机械强度，更低的碎片率。②单晶硅电池比多晶硅电池有更高的转换效率和更大的效率提升空间。③ 25 年的生命周期内，单晶硅电站的实际发电量比多晶硅电站的发电量多（大约 6）。④在长期可靠性方面， 单晶硅电站比多晶硅的衰减少 3左右。 乐叶光伏保证所生产的单晶硅电池组件在 25 年保证期内衰减不多于 16.2。⑤单晶组件比多晶硅价格高 0.1-0.15 元 / 瓦，单多晶系统端造价基本持平，单晶硅电站的投资回报率 IRR 比多晶电站至少高 2.78。⑥单晶具有高度集约化、最大程度发挥屋顶资源的优势，在同样的屋顶面积上单晶系统比多晶安装量高 7.8，更适合分布式电站应用。⑦受益于屋顶光伏安装量和对更高效产品需求的日益增长，单晶硅电池和组件产品将来数年快速占据更高的市场份额，成为光伏行业新的增长点。