多晶的低成本、单晶的高效率——铸锭单晶,平价上网时代的最佳选择

  • 2019年05月30日
  • 作者: Xin Yin

    Xin Yin

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图1 鑫单晶G3硅片与直拉单晶硅片碱制绒后对比无差异

图1 鑫单晶G3硅片与直拉单晶硅片碱制绒后对比无差异

图2 鑫单晶G3 PERC电池效率分布

图2 鑫单晶G3 PERC电池效率分布

图3 158.75mm基于鑫单晶G3与同尺寸直拉单晶全方片的72整片PERC组件功率对比

图3 158.75mm基于鑫单晶G3与同尺寸直拉单晶全方片的72整片PERC组件功率对比

图4 鑫单晶G3 与直拉单晶硅片电阻率分布对比

图4 鑫单晶G3 与直拉单晶硅片电阻率分布对比

图5 鑫单晶与直拉单晶硅片平均氧含量对比

图5 鑫单晶与直拉单晶硅片平均氧含量对比

图6 鑫单晶与直拉单晶PERC电池的LeTID表现对比

图6 鑫单晶与直拉单晶PERC电池的LeTID表现对比

图7

图7

铸锭单晶(cast-mono wafer),是指采用多晶铸锭炉,在常规多晶铸锭工艺的基础上加入单晶籽晶,定向凝固后形成方型硅锭,并通过开方、切片等环节,最终制成单晶的硅片。基于该技术路线,保利协鑫目前已顺利推出第三代产品“鑫单晶G3”(GCL cast-mono G3 wafer)。

铸锭单晶并非新兴技术。早在2011年,保利协鑫就已经开始该类产品的研发。除协鑫的第一代、第二代铸锭单晶产品之外,赛维LDK、晶澳、昱辉、凤凰光伏等企业都陆续推出过类似产品。在市场上,这类产品被称之为准单晶(quasi-mono wafer)或类单晶(mono-like wafer)硅片。第一代铸锭单晶硅片曾在2011年至2012年风靡一时,由于出色的性能表现,在市场上供不应求,售价甚至一度超过了直拉单晶。

自2012年之后,基于小晶粒技术方向的高效多晶取得了突破并大规模量产应用,很快占据了光伏硅片市场的主流地位。2016年之后,金刚线切片的升级改造、PERC电池逐渐代替全铝背场电池等技术得到广泛应用,加之“领跑者”计划的推波助澜,单晶硅片市占率逐步从低谷崛起。

时至今日,保利协鑫七年磨一剑,第三代铸锭单晶硅片横空出世,以多晶的低成本、单晶的高效率,再次受到业界广泛关注。第三代产品较之传统铸锭单晶产品,消灭了以往铸锭生产中容易产生的二类片及曾占成品高比例的三类片,有效解决了客户使用硅片时必须搭配使用、照单全收的苦恼和尴尬,“鑫单晶G3”无论是外观还是内在的位错密度,都无限接近直拉单晶硅片,为日趋多元化的光伏材料市场提供了一个极具竞争力的高效产品。

从晶体学上讲,区别单晶和多晶的关键在于晶体结构是否无限接近完美。以晶格结构完整著称的直拉单晶也不是无限完美的,它内部仍然存在103/平方厘米左右的位错密度。整体而言,直拉单晶与多晶最大的不同在于,由于晶格结构较为完美,直拉单晶可以被认为是一个巨大的晶粒,而多晶是由无数个不同晶向的均匀小晶粒构成,位错密度较之直拉单晶要高2个数量级左右。

铸锭单晶——“鑫单晶G3”,其位错密度上更接近于直拉单晶,晶胞个数降到个位数。铸锭单晶硅片采用与直拉单晶相同的碱制绒,制绒后表面微观结构与直拉单晶一样,同样为规整的金字塔结构。尽管在铸锭单晶整张硅片不到1%的面积里,偶尔会出现个别不同晶向的晶胞,但是整个大方锭产出的铸锭单晶硅片中,出现这一现象的硅片占总产品的比例,也不过几个百分点。“鑫单晶G3”就其硅片品质而言,已与直拉单晶无异,而铸锭单晶技术本质上是“物美价廉”的铸造技术进一步升级,是多晶硅片从大晶粒到小晶粒再到大晶粒的方向转换,也印证了事物的发展是螺旋式上升波浪式前进的辩证规律。

仅凭肉眼观察铸锭单晶硅片,与直拉单晶硅片几无区别(图1),只能从是否存在四个圆弧型倒角来判断。另外,铸锭单晶硅片还可采用亚微米级金属催化湿法制绒,俗称黑硅制绒,例如业内tier one 的阿特斯阳光电力,就采用了其独特的黑硅制绒法,硅片表面呈现倒金字塔的微观结构,在电池外观更加美观的同时,更可以获得与直拉单晶碱制绒不相上下的组件功率输出。

“鑫单晶G3”产品具有以下几个显著的特点和优势:

一、生产成本低,转换效率高。

正如中国科学院院士、浙江大学材料科学与工程学院教授杨德仁所言,“铸造单晶将铸造技术的低成本、低能耗、大尺寸优势和单晶的高效率、高质量优势结合到了一起”。

“鑫单晶G3”在实际生产中,从单炉装料量、晶体生长速度到成品率,从单位电耗到坩埚等耗材成本,乃至其自动化生产的便捷程度上,都比单晶制造的直拉法更有优势。此外,生产过程的能耗较低带来了更高的碳足迹分值,这在注重产品生产过程碳足迹的法国等海外市场,能够获得更多客户青睐。

在成本与铸造多晶几乎一样低的同时,“鑫单晶G3”的电池效率拥有大幅提升。“鑫单晶G3”在多家客户大批量应用结果显示,使用目前主流的PERC电池工艺,“鑫单晶G3”与直拉单晶电池的转换效率绝对值差值,相差不到0.3%(图2)。相较158.75mm尺寸的单晶全方片与同尺寸铸锭单晶硅片制造的72片组件,其功率输出相差不到5瓦(图3)。在目前电站投资的成本模型中,采用72片385瓦的直拉单晶组件,与采用72片380瓦的“鑫单晶G3”组件相比,由于这5瓦功率差带来的BOS成本节省几乎可以忽略不计。作为一种新型产品,鑫单晶PERC电池的效率进一步提升仍有较大空间,在进一步优化电阻率均值提高电池效率之后,完全可以做到与直拉单晶相同的组件功率输出。

二、尺寸灵活,方寸之间“经济适用”

“鑫单晶G3”从凝固之初即为大面积立方体,而直拉单晶拉制的一定是圆棒,须由圆棒开方成为长方体的硅锭。从方到方,比从圆到方更经济,铸锭单晶生产过程中切除余料的比例更低;同时铸锭单晶尺寸也更为灵活,一个大方锭变动开放尺寸,无论157、158还是166的尺寸,都轻而易举。与此同时,无论硅片大小,都是全方片,不必纠结于大倒角还是小倒角。相反对于单晶而言,小倒角意味着圆转方的得率低、硅片成本高,而大倒角,必然会在光伏组件上产生更多的留白,降低组件效率。灵活尺寸才更加“经济适用”,这一优势使得“鑫单晶G3”更能满足客户的定制化尺寸需求。采用166mm边长的“鑫单晶G3”硅片,叠加MBB、PERC电池工艺以及半片等组件技术,量产平均组件功率输出可达到425~430瓦。

三、分布更集中的电阻率分布,高适配PERC电池生产工艺。

晶硅产品的电阻率,与掺杂剂的浓度以及掺杂剂在硅中的分凝系数相关,而分凝系数是一个固定的物理数值。同样掺杂浓度下,电阻率的分布与硅棒长度呈正相关,即硅棒长度越长、电阻率分布越宽。直拉单晶硅棒属于瘦长型选手,长度通常高达3米甚至4米;而铸锭单晶属于矮胖型选手,高度通常不会超过半米。即便是在常规的P型掺杂剂硼的分凝系数已经为0.8、很接近于1的情况下,单晶硅片电阻率的头尾分布仍然比较宽,硅片的最大电阻率一般是最小电阻率的2-3倍。与之不同,铸锭单晶硅锭由于凝固的高度较短,其电阻率分布最大值与最小值的差距不超过1.5倍(图4)。而PERC电池工艺对硅片的电阻率较为敏感,更窄的电阻率分布有利于电池制程的控制。若直拉单晶制造厂商为了进一步降低电池衰减,采用镓作为掺杂剂代替硼掺杂剂,由于镓的分凝系数仅为硼的百分之一,这必将造成掺镓单晶硅棒的电阻率进一步分散。另外,镓掺杂的直拉单晶专利目前尚未到期,而镓掺杂的铸锭单晶却没有此类知识产权风险。

四、电阻率分布与直拉单晶硅片相比氧含量更低,具有更佳LID及LeTID表现。

目前绝大多数P型单晶或多晶皆采用硼掺杂,由于硼氧四面体会带来电池的光致衰减(LID),在同样电阻率、同样硼掺杂浓度的前提下,硅片中的间隙氧杂质含量就会成为影响电池衰减的重要因素。对比铸锭单晶和直拉单晶的制造过程,单晶提拉旋转的过程中硅液不断与以二氧化硅为原料的石英坩埚发生旋转冲刷,而铸锭过程相对而言更像一个“安静的美男子”。目前单晶硅棒可以做到的平均氧含量先进水平为11-12ppma,而铸锭单晶只有该数值的一半左右(图5)。这意味着铸锭单晶电池的光衰一定优于直拉单晶电池。而对于LeTID,即高温光致衰减这一近年来在PERC电池中发现的独特现象,目前尚无明确的机理,公认为单晶、多晶都存在这一问题,其检测标准目前也尚未统一。根据多数使用协鑫“鑫单晶G3”生产PERC电池的厂商反馈,铸锭单晶的LeTID表现也较为出色(图6)。同时LeTID的控制与电池工艺本身也高度相关,例如阿特斯阳光电力就有其独特的控制高温衰减的方法,可以将铸锭单晶电池的LeTID控制在1%以内的水平。

五、完美适配多种电池组件技术

PERC、MBB、双面、MWT、半片、叠瓦、拼片……无论是什么样的电池组件技术,“鑫单晶G3”都能完美适配。由于铸锭单晶硅片为全方片,可采用碱制绒或黑硅制绒,对PERC电池、MWT电池都显示出良好的适用性,其中对于MWT电池更能发挥其充分利用受光面积的优势、进一步提高组件效率;因为没有倒角,“鑫单晶G3”不仅完全兼容MBB、半片、叠瓦、拼片等技术,外观上也更为美观。

无论直拉单晶、多晶还是铸锭单晶,对于电站投资商及终端用户而言,选择的根本依据最终都会归结为:谁的性价比更高。即考量电站的投资成本及平准化发电成本(LCOE)。若基于国内某一类地区大型地面电站为典型场景为投资模型进行测算,并采用如下测算边界条件:

1.运维费用:0.03元/W,每年以3%的速度增长;

2.土地租金:800元/亩;

3.折现率:5%;

4.不含融资成本、耕地占用税、植被恢复、清扫机器人、水保环保等相关费用;

5.组件的衰减率:单晶PERC首年3%,次年0.6%;“鑫单晶G3”PERC首年衰减率2.5%;次年0.6%。

则测算出的的大致结果如下表:

(见图7)

从测算结果可以看出,单价1.89元/Wp 的72片380瓦“鑫单晶G3”PERC组件与单价1.96元的72片385瓦直拉单晶组件相比,无论静态投资成本还是度电成本,鑫单晶组件都具有明显优势。而保持这一组件单价的差价,在目前“鑫单晶G3”的成本优势及售价定位的情况下,都可以轻而易举的实现。

未来,光伏平价上网将不再是一句口号,而是光伏人可以切实达到的目标。随着铸锭单晶技术的进一步提升、原料利用率的进一步提高,其制造成本仍有较大的降低空间。“鑫单晶”系列产品的品质,也将一如既往的延续协鑫最高等级的质量稳定性,协鑫将确保其自身品牌的长期竞争力。目前,保利协鑫“鑫单晶G3”硅片年产能可达8-10GW以上;由于铸锭炉体的升级改造相对简单,随着158.75mm尺寸“鑫单晶G3”硅片在电池端应用的进一步放量,“鑫单晶G3”产能的进一步提升也易如反掌。在单晶硅片一片难求的市场行情下,物美价廉的保利协鑫“鑫单晶G3”产品,必将成为平价上网时代的最佳选择!

(责任编辑:Xin Yin)

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