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光伏電池種類及未來發展趨勢

發布日期:2020-09-15 點擊:766


電池結構是從常規鋁背場電池(BSF)結構自然衍生而來。硅基太陽能電池在2015年之前由鋁背場(BSF)電池主導,BSF電池具有先天的局限性:應用于常規BSF電池背表面的金屬鋁膜層中,復合速度無法降200 cm/s以下。到達鋁背層的紅外輻射光只60%,70%能被反射回去。通過在電池背面附上介質鈍化層,可大大減少這種光電損失,這就是PERC電池的工作原理。


2015年P-PERC開始起量,目前PERC電池已經成為市場主流電池,通過在電池背面附上介質鈍化層,可大大減少光電損失、增加光吸收率、顯著降低背表面復合電流密度,且具有成本較低、與原有生產線相容性高(僅需增添2道主要工序)的優點,成為高效太陽能電池發展現階段的主流方向,但伴隨著PERC電池效率提升開始逐漸放緩,具備效率高、無光衰、溫度系數低、弱光響應高等諸多優勢的N型電池愈加受到關注。


P型光伏組件最高效率有其固有瓶頸,N型光伏組件在獲得高效率時增加了工藝難度,成本隨之增高。P型硅片制作工藝簡單,成本較低,N型硅片通常少子壽命較大,電池效率可以做得更高,但是工藝更加復雜——N型硅片摻磷元素,磷與硅相溶性差,拉棒時磷分布不均,P型硅片摻硼元素,硼與硅分凝系數相當,分散均勻度容易控制。N型Si電池材料中硼含量極低,由硼氧對導致的光致衰退效應基本可以忽略,因此N型Si電池比P型Si電池具有更高的少數載流子壽命,這些優勢使得N型Si電池壽命更長,效率更高,因此,N型Si電池成為市場的追逐的方向,很可能是未來幾年高效電池產業化的熱點技術,其市場份額也會在未來幾年內節節攀升。光伏電池的應用環境惡劣,因此其長期穩定性成為未來重點考量的因數。未來光伏產業及應用要在效率-成本-長期可靠性三個方面尋求某種平衡。


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     N型單晶硅電池主要包括N-PERT電池、N-TOPCon電池、叉指狀背接觸電池(IBC)和異質結電池(HIT)等。

     N-PERT電池結構簡單,能最大程度的利用傳統P型電池設備進行生產制作,且很容易實現量產化,缺點是轉換效率偏低。 

     TOPCon電池概念是由Fraunhofer ISE在2013年第28屆EU PVSEC上首次提出。


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     TOPCon技術是在電池背面制備一層超薄的隧穿氧化層和一層高摻雜的多晶硅薄層,二者共同形成鈍化接觸結構。這種結構能讓硅片背面表層更好的鈍化,超薄氧化層、多晶硅層綜合作用,能極大地降低金屬接觸復合電流,提升開路電壓和短路電流。


    IBC電池,P-N結和電極全部置于電池背面,消除了電池正面柵線的遮光影響,轉換效率最高能夠達到23%以上。不過IBC電池生產制作過程復雜,設備投資成本高,幾乎為傳統電池的兩倍以上。

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   N-PERT 技術與雙面 PERC 電池對比性價比不明顯,TOPcon 量產難度高,而 IBC 技術雖然轉換效率較高,但技術難度大,量產難度高,國內未有量產實績。HIT 由于工序少、國內已有企業量產,成為高效電池未來的發展方向。

  HIT(異質結電池,Heterojunction with Intrinsic Thin layer)是一種在 P 型氫化非晶硅和 n 型氫化非晶硅與 n 型硅襯底之間增加一層非摻雜(本征)氫化非晶硅薄膜的電池結構。標準晶體硅太陽能電池是一種同質結電池,即 PN 結是在同一種半導體材料上形成的,而異質結電池的 PN 結采用不同的半導體材料構成。日本三洋公司在 1990 年發明出 HIT 電池并申請為注冊商標,因此異質結電池又被稱為 HIT(Heterojunction Technology)或 SHJ(Silicon Heterojunction)。,采取該工藝措施后,改善了PN結的性能。因而使轉換效率達到23%(實驗室效率在26%以上),開路電壓達到729mV,并且全部工藝可以在200℃以下實現。2019年,P-PERC 單晶電池效率提升至 22.3%,N-PERT+TOPCon 單晶電池、HIT 電池平均轉換效率分別已經達到 22.7%和 23%。HIT 電池轉換效率比 P-PERC 電池、N-PERT+TOPCon電池轉換效率分別高出 0.7%、0.3%。預計至 2025 年 HIT 電池轉換效率可提升至 25.5%,相比 P-PERC 電池、N-PERT+TOPCon 電池,轉換效率高出 1.5%、1%。隨著 HIT 技術大規模產業化,降本增效速度預期會大幅加快,HIT 有望替代 PERC 成為下一代主流技術。

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  在成本領域,HIT電池成本更低。由于HIT電池結合了薄膜太陽能電池低溫的制造優點,無需在高溫下完成,而低溫環境下加工有利于實現HIT電池薄片化,不僅大大的節約燃料能源,而且減少硅的使用量,降低硅原料的成本,厚度越薄,硅耗量越小,硅成本更低。目前主流 PERC 電池硅片厚度為 160μm-180μm,受限于技術和工藝要求,降低到 160μm 以下的難度較大,并且硅片變薄會導致轉化效率的下降。HIT 電池完美的對稱結構和低溫度工藝使其非常適于薄片化,鈞石能源已量產 HIT 電池產品硅片厚度為 150μm,相較于PERC 產品有所降低。日本三洋 2013 年研發出的 HIT 電池采用硅片厚度僅為 98μm,電池效率達 24.7%。隨著硅片切割技術的發展,HIT 電池采用的硅片厚度將逐步下降,預計至2025 年可降至 100μm,硅片成本可下降至 0.25 元/W。

  與 P-PERC、TOPCon 相比,HIT 生產工藝大大簡化,因此具備較大的產業化潛力。P-PERC 工藝需要 8-10 道工序步驟,工藝難點在于氧化鋁鈍化、激光開孔問題,國內代表企業有樂葉、晶科能源、阿特斯、晶澳科技;N-TOPCON 工藝共有 11-12 道工序步驟,工藝難點在于硼擴散,多晶硅生產、摻雜,繞鍍,國內代表企業有天合光能、中來股份、林洋能源、晶科能源;HIT 工藝只需 4 道工序步驟,工藝難點在于高效清洗和非晶硅制備,國內代表企業有漢能、晉能、中智、鈞石能源、通威股份,其中在量產的有晉能、鈞石能源。從理論上講,HIT 工藝步驟少,可以極大的降低電池的不良率,以及人工、運維等其他生產成本。

  HIT電池具有更低衰減和更長壽命。HIT電池的低溫度系數和更低的光致衰減:與單晶硅電池-0.42%/℃的溫度系數相比,HIT 電池的溫度系數可達到-0.25%/℃,使得電池即使在光照升溫情況下仍有好的輸出。在一天的中午時分,HIT 電池的發電量比一般晶體硅太陽電池高出 8-10%,雙玻 HIT 組件的發電量高出 20%以上,具有更高的用戶附加值。由于 HIT 電池上表面為 TCO,電荷不會在電池表面的 TCO 上產生極化現象,因此 HIT 電池無 PID、LePID 現象。松下 HIT 組件 25 年后發電量僅下降 8%。HIT雙面電池通過雙玻封裝也能實現相比目前主流組件的25年再延長了5-15年的壽命。

  對于IBC電池,其工藝流程相比傳統方法復雜很多。常規電池的工藝步驟為八步,而IBC電池則需要二十步。IBC對硅片要求也較高,加上復雜的步驟導致其成本約為普通電池的兩倍,其產業化進度也非常慢。由于IBC的正反面與常規不同,因此其組件過程也需要定制,同樣制約了其產業化。未來IBC電池主要面向高端市場:IBC電池的優勢就在于高效和美觀,

  同時HIT異質結技術在推廣中存在如下制約。

  一、設備和運維的成本高,關鍵設備未國產化,HIT 電池產線設備投資額中非晶硅薄膜制備和 TCO 沉積設備成本占比接近 70%。非晶硅薄膜沉積設備和 TCO 薄膜沉積設備主要依賴進口,清洗制絨設備、電極金屬化設備等環節國產廠商開始進入。HIT電池進口設備約為8-10億元/GW,國產設備約為5-8億元/GW,而PERC只需要2.5-3億元/GW。HIT電池設備成本約為PERC的3倍。單位產能投資額度為PERC電池的2-4倍。此外由于HIT國內剛剛起步,缺乏配套和專業設備導致電池良率低,運維的成本也很高。

  二、材料成本高,硅片和輔材品質和價格高且產量小未形成規模效應。HIT電池需要的高品質N型硅片價格高,工藝要求低溫銀漿尚依賴進口,國產供應商處于起步階段,低溫銀漿單價是PERC用銀漿的約1.5倍,用量也是PERC用量的1.5倍。

   當前全球 HIT 已有產能約 3GW,參與方規劃 HIT 產能超過 15GW,部分企業已開始中試或小批量投運。鈞石能源、中智電力、晉能科技、漢能等國內 HIT 技術領先企業已分別建成600MW、160MW、100MW、120MW 異質結電池產能。

此前,由于設備初期投資高以及對制程工藝要求嚴格,大部分廠商對異質結電池技術仍在觀望階段。近年來,隨著高效電池已經成為了市場的主流,以及異質結電池技術不斷提高,成本持續下降。各市場主體加快HIT電池的投資布局。國際方面,現有產能1GW、量產效率達23%的日本三洋可謂是HIT中的領頭羊,除此之外,具有較成熟HIT技術的還有REC、Keneka、Solarcity等。

 

   國內方面,盡管當前我國異質結電池產量較低,2017年為60MW,2018年為約為886MW,但國內企業布局正在加快。數據顯示,目前已有10多家企業參與到異質結電池研發、生產中,規劃總產能已超過30GW。其中作為異質結領域較早的“拓荒者”之一,晉能科技早在2017年就已實現中試線投產,現有產能100MW,異質結電池量產最高效率達23.85%,量產平均良率達98.29%,未來的規劃產能為1GW。而布局較早的中智、漢能及鈞石現有產能也分別達到了160 MW、150 MW和600 MW,規劃產能分別為2GW、2GW、5GW。通威、愛康、彩虹等新進入的企業自2018年起紛紛宣布了GW級的異質結產能布局,目前產線多在建設中。

 

   隨著企業加大HIT電池投資布局,一批標桿企業與項目可能在年底到2020年投運,預計將有2020年將有4-7GW以上的HIT新增產能投放,超前幾年累計產能。而這也將進一步提升行業對異質結電池的信心,2020年可能是HIT的產業化元年。

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   目前 PERC 電池非硅成本約 0.26元/W,占電池成本 39%,電池成本約為 0.76 元/W(含稅)。HIT 電池尚處于規模化初期,設備及關鍵材料依賴進口,非硅成本存在較大下降空間。根據測算, HIT 電池總成本約為 0.89 元/W(不含稅)。PERC 電池技術相對成熟,產業化已具備規模,非硅成本下降空間較小,綜合各環節測算,未來通過 HIT 電池產業化規模提升、技術進步推動材料耗量下降及關鍵材料及設備的國產化等途徑,HIT 電池成本將實現較大幅度的下降,逐步達到量產邊際條。


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