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行业资讯

光伏电池种类及未来发展趋势

发布日期:2020-09-15 点击:744


电池结构是从常规铝背场电池(BSF)结构自然衍生而来。硅基太阳能电池在2015年之前由铝背场(BSF)电池主导,BSF电池具有先天的局限性:应用于常规BSF电池背表面的金属铝膜层中,复合速度无法降200 cm/s以下。到达铝背层的红外辐射光只60%,70%能被反射回去。通过在电池背面附上介质钝化层,可大大减少这种光电损失,这就是PERC电池的工作原理。


2015年P-PERC开始起量,目前PERC电池已经成为市场主流电池,通过在电池背面附上介质钝化层,可大大减少光电损失、增加光吸收率、显著降低背表面复合电流密度,且具有成本较低、与原有生产线相容性高(仅需增添2道主要工序)的优点,成为高效太阳能电池发展现阶段的主流方向,但伴随着PERC电池效率提升开始逐渐放缓,具备效率高、无光衰、温度系数低、弱光响应高等诸多优势的N型电池愈加受到关注。


P型光伏组件最高效率有其固有瓶颈,N型光伏组件在获得高效率时增加了工艺难度,成本随之增高。P型硅片制作工艺简单,成本较低,N型硅片通常少子寿命较大,电池效率可以做得更高,但是工艺更加复杂——N型硅片掺磷元素,磷与硅相溶性差,拉棒时磷分布不均,P型硅片掺硼元素,硼与硅分凝系数相当,分散均匀度容易控制。N型Si电池材料中硼含量极低,由硼氧对导致的光致衰退效应基本可以忽略,因此N型Si电池比P型Si电池具有更高的少数载流子寿命,这些优势使得N型Si电池寿命更长,效率更高,因此,N型Si电池成为市场的追逐的方向,很可能是未来几年高效电池产业化的热点技术,其市场份额也会在未来几年内节节攀升。光伏电池的应用环境恶劣,因此其长期稳定性成为未来重点考量的因数。未来光伏产业及应用要在效率-成本-长期可靠性三个方面寻求某种平衡。


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     N型单晶硅电池主要包括N-PERT电池、N-TOPCon电池、叉指状背接触电池(IBC)和异质结电池(HIT)等。

     N-PERT电池结构简单,能最大程度的利用传统P型电池设备进行生产制作,且很容易实现量产化,缺点是转换效率偏低。 

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


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     TOPCon技术是在电池背面制备一层超薄的隧穿氧化层和一层高掺杂的多晶硅薄层,二者共同形成钝化接触结构。这种结构能让硅片背面表层更好的钝化,超薄氧化层、多晶硅层综合作用,能极大地降低金属接触复合电流,提升开路电压和短路电流。


    IBC电池,P-N结和电极全部置于电池背面,消除了电池正面栅线的遮光影响,转换效率最高能够达到23%以上。不过IBC电池生产制作过程复杂,设备投资成本高,几乎为传统电池的两倍以上。

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   N-PERT 技术与双面 PERC 电池对比性价比不明显,TOPcon 量产难度高,而 IBC 技术虽然转换效率较高,但技术难度大,量产难度高,国内未有量产实绩。HIT 由于工序少、国内已有企业量产,成为高效电池未来的发展方向。

  HIT(异质结电池,Heterojunction with Intrinsic Thin layer)是一种在 P 型氢化非晶硅和 n 型氢化非晶硅与 n 型硅衬底之间增加一层非掺杂(本征)氢化非晶硅薄膜的电池结构。标准晶体硅太阳能电池是一种同质结电池,即 PN 结是在同一种半导体材料上形成的,而异质结电池的 PN 结采用不同的半导体材料构成。日本三洋公司在 1990 年发明出 HIT 电池并申请为注册商标,因此异质结电池又被称为 HIT(Heterojunction Technology)或 SHJ(Silicon Heterojunction)。,采取该工艺措施后,改善了PN结的性能。因而使转换效率达到23%(实验室效率在26%以上),开路电压达到729mV,并且全部工艺可以在200℃以下实现。2019年,P-PERC 单晶电池效率提升至 22.3%,N-PERT+TOPCon 单晶电池、HIT 电池平均转换效率分别已经达到 22.7%和 23%。HIT 电池转换效率比 P-PERC 电池、N-PERT+TOPCon电池转换效率分别高出 0.7%、0.3%。预计至 2025 年 HIT 电池转换效率可提升至 25.5%,相比 P-PERC 电池、N-PERT+TOPCon 电池,转换效率高出 1.5%、1%。随着 HIT 技术大规模产业化,降本增效速度预期会大幅加快,HIT 有望替代 PERC 成为下一代主流技术。

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  在成本领域,HIT电池成本更低。由于HIT电池结合了薄膜太阳能电池低温的制造优点,无需在高温下完成,而低温环境下加工有利于实现HIT电池薄片化,不仅大大的节约燃料能源,而且减少硅的使用量,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 电池硅片厚度为 160μm-180μm,受限于技术和工艺要求,降低到 160μm 以下的难度较大,并且硅片变薄会导致转化效率的下降。HIT 电池完美的对称结构和低温度工艺使其非常适于薄片化,钧石能源已量产 HIT 电池产品硅片厚度为 150μm,相较于PERC 产品有所降低。日本三洋 2013 年研发出的 HIT 电池采用硅片厚度仅为 98μm,电池效率达 24.7%。随着硅片切割技术的发展,HIT 电池采用的硅片厚度将逐步下降,预计至2025 年可降至 100μm,硅片成本可下降至 0.25 元/W。

  与 P-PERC、TOPCon 相比,HIT 生产工艺大大简化,因此具备较大的产业化潜力。P-PERC 工艺需要 8-10 道工序步骤,工艺难点在于氧化铝钝化、激光开孔问题,国内代表企业有乐叶、晶科能源、阿特斯、晶澳科技;N-TOPCON 工艺共有 11-12 道工序步骤,工艺难点在于硼扩散,多晶硅生产、掺杂,绕镀,国内代表企业有天合光能、中来股份、林洋能源、晶科能源;HIT 工艺只需 4 道工序步骤,工艺难点在于高效清洗和非晶硅制备,国内代表企业有汉能、晋能、中智、钧石能源、通威股份,其中在量产的有晋能、钧石能源。从理论上讲,HIT 工艺步骤少,可以极大的降低电池的不良率,以及人工、运维等其他生产成本。

  HIT电池具有更低衰减和更长寿命。HIT电池的低温度系数和更低的光致衰减:与单晶硅电池-0.42%/℃的温度系数相比,HIT 电池的温度系数可达到-0.25%/℃,使得电池即使在光照升温情况下仍有好的输出。在一天的中午时分,HIT 电池的发电量比一般晶体硅太阳电池高出 8-10%,双玻 HIT 组件的发电量高出 20%以上,具有更高的用户附加值。由于 HIT 电池上表面为 TCO,电荷不会在电池表面的 TCO 上产生极化现象,因此 HIT 电池无 PID、LePID 现象。松下 HIT 组件 25 年后发电量仅下降 8%。HIT双面电池通过双玻封装也能实现相比目前主流组件的25年再延长了5-15年的寿命。

  对于IBC电池,其工艺流程相比传统方法复杂很多。常规电池的工艺步骤为八步,而IBC电池则需要二十步。IBC对硅片要求也较高,加上复杂的步骤导致其成本约为普通电池的两倍,其产业化进度也非常慢。由于IBC的正反面与常规不同,因此其组件过程也需要定制,同样制约了其产业化。未来IBC电池主要面向高端市场:IBC电池的优势就在于高效和美观,

  同时HIT异质结技术在推广中存在如下制约。

  一、设备和运维的成本高,关键设备未国产化,HIT 电池产线设备投资额中非晶硅薄膜制备和 TCO 沉积设备成本占比接近 70%。非晶硅薄膜沉积设备和 TCO 薄膜沉积设备主要依赖进口,清洗制绒设备、电极金属化设备等环节国产厂商开始进入。HIT电池进口设备约为8-10亿元/GW,国产设备约为5-8亿元/GW,而PERC只需要2.5-3亿元/GW。HIT电池设备成本约为PERC的3倍。单位产能投资额度为PERC电池的2-4倍。此外由于HIT国内刚刚起步,缺乏配套和专业设备导致电池良率低,运维的成本也很高。

  二、材料成本高,硅片和辅材品质和价格高且产量小未形成规模效应。HIT电池需要的高品质N型硅片价格高,工艺要求低温银浆尚依赖进口,国产供应商处于起步阶段,低温银浆单价是PERC用银浆的约1.5倍,用量也是PERC用量的1.5倍。

   当前全球 HIT 已有产能约 3GW,参与方规划 HIT 产能超过 15GW,部分企业已开始中试或小批量投运。钧石能源、中智电力、晋能科技、汉能等国内 HIT 技术领先企业已分别建成600MW、160MW、100MW、120MW 异质结电池产能。

此前,由于设备初期投资高以及对制程工艺要求严格,大部分厂商对异质结电池技术仍在观望阶段。近年来,随着高效电池已经成为了市场的主流,以及异质结电池技术不断提高,成本持续下降。各市场主体加快HIT电池的投资布局。国际方面,现有产能1GW、量产效率达23%的日本三洋可谓是HIT中的领头羊,除此之外,具有较成熟HIT技术的还有REC、Keneka、Solarcity等。

 

   国内方面,尽管当前我国异质结电池产量较低,2017年为60MW,2018年为约为886MW,但国内企业布局正在加快。数据显示,目前已有10多家企业参与到异质结电池研发、生产中,规划总产能已超过30GW。其中作为异质结领域较早的“拓荒者”之一,晋能科技早在2017年就已实现中试线投产,现有产能100MW,异质结电池量产最高效率达23.85%,量产平均良率达98.29%,未来的规划产能为1GW。而布局较早的中智、汉能及钧石现有产能也分别达到了160 MW、150 MW和600 MW,规划产能分别为2GW、2GW、5GW。通威、爱康、彩虹等新进入的企业自2018年起纷纷宣布了GW级的异质结产能布局,目前产线多在建设中。

 

   随着企业加大HIT电池投资布局,一批标杆企业与项目可能在年底到2020年投运,预计将有2020年将有4-7GW以上的HIT新增产能投放,超前几年累计产能。而这也将进一步提升行业对异质结电池的信心,2020年可能是HIT的产业化元年。

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   目前 PERC 电池非硅成本约 0.26元/W,占电池成本 39%,电池成本约为 0.76 元/W(含税)。HIT 电池尚处于规模化初期,设备及关键材料依赖进口,非硅成本存在较大下降空间。根据测算, HIT 电池总成本约为 0.89 元/W(不含税)。PERC 电池技术相对成熟,产业化已具备规模,非硅成本下降空间较小,综合各环节测算,未来通过 HIT 电池产业化规模提升、技术进步推动材料耗量下降及关键材料及设备的国产化等途径,HIT 电池成本将实现较大幅度的下降,逐步达到量产边际条。


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