光伏组件选型单晶多晶的可靠性与经济性比较分析.docx

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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

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

　　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5~6℃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。

　　②PERC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。

　　③PERC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150μm。

　　图9HIT+IBC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。

　　②N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。

　　③PERC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。

　　④PERC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：

　　①1982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%。

　　②1984年，加州1MW光伏电站采用单晶组件，至今仍运行完好。

　　③1984年，兰州最早的光伏电站采用单晶组件，年均衰减0.37%。

　　④1994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。

　　③25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。