光伏组件选型单晶多晶的可靠性与经济性比较分析.docx

1、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

2、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。贞脚.单晶硅片 多晶硅片图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

3、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

4、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

5、美国贝尔实验室首次制成了实用的单晶硅太阳能电 池。1955T975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。20132015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，采用单晶组件与采用多晶组件的电站单位投资成

6、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：Eta=VocXIscXFF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 来讲目前工艺下国单晶电池量产效率是19. 55%左右，做得好的话可以达到19. 8%T9. 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J(mA/cm2)Q (V)FF (%)Ela (%)I R. 2 (A)Rs (

7、C)Rsh(Q)单晶电池38. 140. 64379.719. 550. 0200. 0011153多晶电池35. 960. 63779. 118. 120. 0560. 002g02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

8、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SunPo松r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HIT+IBC电池的效率高达 创记录的25. 6%（Panasonic）。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。

9、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。z Ou sfsi 宣图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

10、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，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

11、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优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

12、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。电池效率绝对值在单晶上可提高1%,在多晶上可提高0.5乐 因此在单晶上采用PERC 技术优势更大。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。PERC电池已经成为行业主流技术并逐步替代常规电池。通过工艺优化，在近1-2年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%o乐叶光伏2015年下半年将

13、会在基地量产高效PERC单晶电池组件，接下来在将会新增2GW 的PERC电池产能。前宅属播极 旗机全字塔HIT电池技术简述HIT电池具有以下特点:采用N型单晶硅片，完全避免了 LID现象。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%o采用非晶硅薄层进行双面钝化，电池开压可提升至740毫伏。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。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5T0个纳米，所以均匀性

14、控制很不容易。另外，它目前的成本比PERC要高，一是设备图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斩 量产平均效率工业界着重开发低成本IBC技术。Antirdlecitive coating Si02 pass.ivation FSFj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机 它的开图9HIT+IBC电池参数图示Rear sideIBC电池的应用示例：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电池在动力2号的应用电

15、池技术发展趋势预测未来单晶的市场份额将逐步超越多晶。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。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。PERC电池将有很长的生命周期，在相当长一段时间和N型电池共存于市场中。XQ%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

16、系统与多晶系统基本相同。具体的分析数据下表1所示单晶小多晶Q备注。组件规 格户156*156*60.156*156*60.以组件功 率Q275W。260M组件单 价户4.11 用Nq3 .98 元/W国内一线品牌价 格户金额 与组件 数量相 关的设 备口1.151.24，支架、夹具、支 墩、串联电缆、汇 流箱、汇流电缆、 接地系统等。建安 工程费F0.50.54人工费、安装费，金额 与组件 数量无 关的设 备Q0.9，06逆变器、变压 器、配电柜、控制 系统、升压系统等，综合 管理费口0.4口04V材料费、项目管 理费等。合计，7 g7.07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

17、站绝大多数采用单晶组件，典型案例包括：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%。1984年，加州1MW光伏电站采用单晶组件，至今仍运行完好。1984年，最早的光伏电站采用单晶组件，年均衰减0. 37缸在长期可靠性方面，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年保证期衰减不多于16. 2%o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以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。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。