光伏組件選型：單晶、多晶的可靠性與經(jīng)濟(jì)性比較分析

光伏組件選型：單晶、多晶的可靠性與經(jīng)濟(jì)性比較分析本文摘要：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，單晶和多晶的差異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)微差異。單多晶硅片性能比照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，單晶和多晶的差異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)微差異。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，它實際上是一個少子復(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。學(xué)習(xí)文檔僅供參考學(xué)習(xí)文檔僅供參考學(xué)習(xí)文檔僅供參考學(xué)習(xí)文檔僅供參考單晶硅片 多晶硅片圖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外表缺陷少于多晶，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，因為它沒法用金剛線切割，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比照。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)械性能電腦分析比照數(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)和運輸過程中更容易破碎。我們今天講電站的質(zhì)量問題，很重要的一點，組件在運輸安裝過程中可能產(chǎn)生電池片破碎、隱裂等問題，相對多晶而言，單晶在運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。單晶硅片多晶硅片單晶硅片多晶硅片圖4單晶硅片與多晶硅片機(jī)械性能比較學(xué)習(xí)文檔僅供參考學(xué)習(xí)文檔僅供參考學(xué)習(xí)文檔僅供參考學(xué)習(xí)文檔僅供參考單多晶電池比照晶硅電池發(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)改進(jìn)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驗室首次制成了實用的單晶硅太陽能電池。1955-1975年，由于單晶電池成本較高，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)基于相對廉價的成本快速擴(kuò)大份額。2013年，松下HIT單晶電池轉(zhuǎn)換效率到達(dá)25.6%，突破了光伏產(chǎn)業(yè)界最高理論效率極限，人們再次評估各種技術(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到達(dá)一致。轉(zhuǎn)換效率比照影響轉(zhuǎn)換效率的3項主要參數(shù)是：Voc（開路電壓）、Isc（短路電流）、FF（填充因子），公式為：Eta=VocXIscXFF從光電轉(zhuǎn)換效率參數(shù)分解來看，單晶電池的各項參數(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，做得好的話可以到達(dá)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)J 1sc(mA/cm2)Voc(V)FF(%)Eta(%)IR2ev(A)Rs(Q)Rsh(Q)單晶電池1153多晶電池502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)勢非常明顯：表2單晶電池與多晶電池已實現(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%改進(jìn)效率〔PERC〕20.5%-21%18.6%-19.0%最高效率〔HIT、IBC等〕22%-23%尚無量產(chǎn)在實驗室記錄方面，單晶技術(shù)潛力的優(yōu)勢更加顯著。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〕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差異就在于，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。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)的實驗室記錄，而多晶硅電池最高實驗室轉(zhuǎn)換效率僅為20.8%,差異是比較大的。單晶硅電池在各項主要參數(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。下列圖5是單多晶量子效率的比照,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缺陷,少子壽命普遍低于單晶。學(xué)習(xí)文檔僅供參考學(xué)習(xí)文檔僅供參考學(xué)習(xí)文檔僅供參考學(xué)習(xí)文檔僅供參考圖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)電量差異上面。IlgEiinflain町唧IlgEiinflain町唧HuffzUISifaHT』iA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異在制絨環(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〕，可實現(xiàn)更低的BOD、COD污水排放，且單晶制絨體系對于設(shè)備硬件的要求很低，更容易實現(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)比照單晶材料沒有晶界，材料純度高，內(nèi)阻小，溫度升幅較??；另一方面，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5~6℃左右，部分地區(qū)的多晶工作溫度可以比單晶高出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，因為選擇性發(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表達(dá)出明顯優(yōu)勢，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)到到組件效率的提升。PERC電池具有以下特點：

①電池效率絕對值在單晶上可提高1%,在多晶上可提高0.5%,因此在單晶上采用PERC技術(shù)優(yōu)勢更大。②PERC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，并可降低電池片每瓦成本。③PERC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。④通過工藝優(yōu)化，在近一2年內(nèi)可逐步將量產(chǎn)效率提升至21%,SolarWorld公司近期在實驗室的P型單晶硅PERC電池效率已經(jīng)到達(dá)了21.7%o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%O樂葉光伏2015年下半年將會在合肥基地量產(chǎn)高效PERC單晶電池組件，接下來在江蘇泰州將會新增2GW的PERC電池產(chǎn)能。Texturing*■DiffusionPrintR

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F-iring—dARCostingPassivationEd職IsolationGrooving圖6PERC電池結(jié)構(gòu)與工藝圖示學(xué)習(xí)文檔僅供參考學(xué)習(xí)文檔僅供參考學(xué)習(xí)文檔僅供參考學(xué)習(xí)文檔僅供參考■F3-Si:H(iKa-Si:H(n)「TCOReargrid.■F3-Si:H(iKa-Si:H(n)「TCOReargrid.HIT電池技術(shù)簡述HIT電池具有以下特點:①采用N型單晶硅片，完全防止了LID現(xiàn)象。②目前實驗室最高轉(zhuǎn)換效率24.7%,量產(chǎn)效率可達(dá)22%,結(jié)合IBC工藝的效率可以到達(dá)25.6%o③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。④全程采用低溫制造工藝，可以形成全對稱雙面電池構(gòu)造，防止高溫制程對硅片的損傷以及彎片現(xiàn)象，能夠有效降低組件封裝時的碎片率，并且制作雙玻組件也非常有優(yōu)勢。⑤制程相對簡單，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5T0個納米，所以均勻性控制很不容易。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。⑥溫度系數(shù)很低，大約-0.25%/C,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，反面也可以奉獻(xiàn)發(fā)電量。TCO(Transpareal FroDtgridConductiveOxide)圖7HIT電池結(jié)構(gòu)圖示texlure的ntexlure的n麗tideInSi02pfdiffusionmetallinger(p)IBC電池技術(shù)簡述IBC電池也是采用N型單晶硅片生產(chǎn)，目前實驗室最高效率可到達(dá)25%,量產(chǎn)平均效率23%O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)。不阻寺附Antir?fEtt:iti-vccoaling^Si02"FSF-in-typebaie—仃iffhei，1fbSi02pasEivati-OH-?mOtSl宿勺打網(wǎng)Rearsnf￡OuiRutfiii ni\?9幾J——r-vmFvn143/c-n?qdasiigriOuiRutfiii ni\?9幾J——r-vmFvn143/c-n?qdasiigri異LIFVV1WPMMl.nm.>,RW1i圖8IBC電池結(jié)構(gòu)圖示松下將IBC和HIT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%。它的開路電壓到達(dá)740mV,Jsc是41.8mA/cm2,FF是82.7%,硅片厚度是150um。Dur-pprnBidixmth* &ali?4rpii0ni]QUvHhtnghiHi守％rm威旭,圖9HIT+IBC電池參數(shù)圖示IBC電池的應(yīng)用例如：陽光動力2號采用高效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電池在陽光動力2號的應(yīng)用電池技術(shù)發(fā)展趨勢預(yù)測①未來單晶的市場份額將逐步超越多晶。②N型高效電池的市場份額將逐步升高，取決于N型電池成本降低的速度。③PERC電池的市場份額將在2018年后超越目前常規(guī)電池，且份額將逐步擴(kuò)大。④PERC電池將有很長的生命周期，在相當(dāng)長一段時間內(nèi)和N型電池共存于市場中。

3014- 和IN WJ7 押” 20篇 Ml，■KKkpiimc?? ■口邙xHPm口SI ■nt^piEoooifkc由■im?M-S4 ■!1勺E ■etftsl■■事dlrtwF J圖11ITRPV對電池技術(shù)發(fā)展趨勢的預(yù)測單多晶電站投資收益比照目前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

單晶Q多晶j備注點組件規(guī)格,156*156ffS0+156*156*60^組件助率V275帥260根組件單價皆411元網(wǎng)心3.08元/W/國內(nèi)一線品牌價格科金領(lǐng)與組件數(shù)量相關(guān)的設(shè)備戶1.15^1卻支架、夾具、支墩、串聯(lián)電纜，匯流箱-匯流電纜、接班系統(tǒng)等舉建安工程費平g0.54小人工費、安裝費,金領(lǐng)與組件數(shù)量無關(guān)的設(shè)備一0.9丁09舉逆變器、變壓器-配電柜、拴制系統(tǒng).升壓系統(tǒng)等.綜合管理費/0小041p材料費、項目管理費等合計中7.0的7協(xié)甲發(fā)電量和長期可靠性比照目前為止經(jīng)歷過長期運行考驗的電站絕大多數(shù)采用單晶組件，典型案例包括：①1982年，歐洲第一個并網(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%。②1984年，加州1MW光伏電站采用單晶組件，至今仍運行完好。③1984年，蘭州最早的光伏電站采用單晶組件，年均衰減0.37%。④1994年，浙江寧波最早的單晶電站，21年總功率衰減13.1%。學(xué)習(xí)文檔僅供參考學(xué)習(xí)文檔僅供參考學(xué)習(xí)文檔僅供參考學(xué)習(xí)文檔僅供參考⑤德國至今已運行18年的MW級屋頂電站，采用西門子單晶組件年衰減約0.4%,至今無質(zhì)量問題。⑥"尋找最美老組件"首站云南，屋頂單晶系統(tǒng)運行接近30年，最近15年修正光衰不超過