下一代主流光伏技术:冠军电池不断破纪录与行业旧产能现实

  • 2021年09月09日
  • 作者: Selina Shi

    Selina Shi

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  • 翻译: Selina Shi

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异质结就是这样一种在太阳能市场上争夺竞争优势的技术。

异质结就是这样一种在太阳能市场上争夺竞争优势的技术。

图1:(左)从Al-BSF技术(蓝色和红色条)向PERC(棕色条)转变的历史数据,预计未来数年会转向n型技术(灰色条)。 (右)TOPCon、SHJ和poly-Si以及SHJ-IBC的截面示意图。

图1:(左)从Al-BSF技术(蓝色和红色条)向PERC(棕色条)转变的历史数据,预计未来数年会转向n型技术(灰色条)。 (右)TOPCon、SHJ和poly-Si以及SHJ-IBC的截面示意图。

图2:(左)与移动网络从3G向6G的演进相类似,在过去和未来数年,c-Si技术的效率(电压)改进和存在的限制。 (右)Al-BSF、单晶和双面PERC、TOPCon、SHJ、IBC和2、3、4端口串联

图2:(左)与移动网络从3G向6G的演进相类似,在过去和未来数年,c-Si技术的效率(电压)改进和存在的限制。 (右)Al-BSF、单晶和双面PERC、TOPCon、SHJ、IBC和2、3、4端口串联配置的截面示意图。

2020年,采用双面PERC技术的太阳能光伏已成为能源市场的新王者,在沙特这样的中东和北非(MENA)国家举行的招标中,这种技术报出了极低的价格。2021年的价格更是低至0.01美元/kWh。

目前, PERC已接近效率极限,问题是,下一步该怎么办?谁将成为 "王者"?是否会出现从PERC向n型技术的快速转换,就像大约五年前,从Al-BSF向PERC的转换一样?PV Tech Research是这么认为的,目前,几乎整个光伏界也都是这么认为的。

技术迭代:从3G(Al-BSF)、4G(PERC)到PERC-IBC(5G)

但是,下一个主流技术会是什么?硅异质结(SHJ)?TOPCon?两者在叉指背接触(IBC)结构中的结合?串联电池?比赛正在进行,展示实力的公告也在加速发布。一流制造商发布的PERC公告展示了电池和组件水平的进步,目的是证明这项技术仍未结束。N型技术公告的作用是展示未来的发展方向。

从理论上讲,这是很简单的。图2描述的是Martin Hermle首次提出的、行业电池效率的线性年增长,绝对值约为0.6%。2016年,由于Al-BSF技术达到了效率极限,从Al-BSF向PERC的转换开始了。这主要是因为均质Al-BSF的背面钝化有限,如右图横截面所示。

在Al-Paste和Al-BSF触点下方有一个电介质堆栈(AlOx/SiNx),这可以更好的实现背面钝化,令平均电压达到680mV,最高达到690mV。为了超越700mV,必须采用TOPCon中的poly-Si或SHJ技术中的a-Si钝化触点。然后,为了在下一步克服Auger乃至Shockley-Queisser极限,必须使用串联结构。因此,这条线性曲线使用了更好的钝化工艺来改善电压,这种钝化工艺使用了更先进的电池结构。

我们可以将这些技术与移动网络及移动网络的速度进行比较。3G(Al-BSF)已经过时了,如今的主力是4G(PERC),5G(钝化接触)也已就位。然而,对于大多数应用来说,4G仍然是足够的,并不需要更昂贵的5G。但是,几年之后,5G将随处可见,甚至6G(串联)的道路也都已经铺平。

高效率公告展现的是每种技术的实际极限,如图2所示。 然而,在可能出现的情况(工艺流程和测量方面的技巧)和生产实际之间存在着大约1%的绝对差距。2019年,我们已经写过 "未来的行业光伏技术:冠军电池公告与行业现实"一文,详细解释了高效太阳能电池的制造和测量技巧。

即使被冠以相同名称的技术,它们往往与行业中的同类产品也没有太大关系。此外,即使是测量这样的工作,通常也会包括一些技巧。

表1总结了这一问题,描述了创下记录的公告,生产中的平均效率以及市场上的可用组件效率与潜力。

技术 设备 电池效率公告(%) 生产中的平均电池效率(%) 平均组件效率(%) 生产中的平均电压电位(mV) 生产中的平均效率潜能(%)
Al-BSF 标准 20.29 19.5-20.0 <20% 670 20.5
PERC 标准PERC 24.06  22.5-23.5 20.2-21.1 690 23.5
TOPCon 标准PERC 25.25  23.5-24.5 21.4 725 24.5
低成本IBC 标准PERC 25.04  23.5-24.5 21.3 735 25.0
低成本SHJ 薄膜 25.26 23.5-24.5 21.9 735 25.0
复杂SHJ 薄膜和电子工业 25.26 24.5-25.0 21.7 740 25.5
复杂IBC 薄膜和电子工业 26.1,26.6 25.0-25.5 22.0 – 22.8  740 26.0

表1:光伏市场上,c-Si相关技术的高效公告与行业现实的对比。

由于Al-BSF(3G)是单面的,它正在逐渐淡出光伏市场。生产中的平均电池效率达到20%,电压约为665mV。市场上的组件效率远远低于20%。能源市场之王——双面PERC(4G)在生产中的平均太阳能电池效率约为23%。市面上的PERC组件大多低于21%,但天合光能的组件最高可达21.1%。天合光能最近公布的23.03%的PERC组件效率与其标准产品没有太大关系,测量的效率甚至仅限于对 “有效面积”的测量。

标准组件效率的计算方法是用输出电功率(标准测试工况下的Pmpp)除以组件总面积(组件长度乘以组件宽度)捕获的辐照量,而 "有效面积的组件效率 "只考虑了电池的总面积,与标准(总面积)组件效率相比,效率值明显更高(接近电池效率)。这意味着对于有效面积的组件效率来说,电池之间的间隙、汇流带和接线盒占据的面积、外部太阳能电池和层压板边缘之间的强制性间隙都没有被考虑在内。

因此,就与面积相关的系统成本平衡而言,有效面积的组件效率与高组件效率的效益评估无关。最近,中国国家太阳能光伏产品质量监督检验中心的测量结果甚至达到了23.53%。本文没有提到对有效面积的测量。

2019年,隆基公司创下24.06%的PERC电池效率记录。该产品在正面选择性的使用了多晶硅,此外还有其他功能。这些功能目前还没有、而且很可能永远也不会在行业生产中实施。

基于PERC的技术,例如“TOPCon”和” PERC-IBC”受益于PERC的成本结构,因此成本也较低。与几乎所有的n型技术一样,主要的挑战在于减少金属触点的耗银量。TOPCon(5G)电池在生产中的平均效率约为23.5%,晶科能源最近展示的效率为25.25%。

晶科能源没有公布详尽的工艺流程和电池结构。但是,我们推测晶科很可能选择性使用了更为复杂、尚未做好工业化大规模生产准备的poly-Si(B),此外,poly-Si(B)还具有其他非行业特征。目前,标准TOPCon电池的COO比PERC高出约20-30%。更高的效率、更出色的双面性能、更低的衰减率和更低的温度系数使这些组件不仅对屋顶应用有吸引力,而且对公用事业太阳能、炎热地区和高反照率系统也很有吸引力。

对于PERC-IBC(5G)产品来说,中来股份、国家电投、天合光能、ValoeCell的效率约为24%并具备了达到25%的潜力,天合光能的效率已达到25.04%。这种电池降低了银的金属化程度,目前主要适用于屋顶光伏,其双面产品未来也可以用于公用事业项目。

对于低成本的SHJ(5G)来说, 迈为公司的效率达到了25.26%,而对于复杂SHJ (5G)来说,隆基公司创下了25.26%的效率记录。Sunpower和LG生产复杂 IBC (5G)产品。ISFH实现了POLO结构26.1%的效率,Kaneka实现了SHJ-IBC 26.6%的效率。

未来两至三年,完全转向低成本5G的时机就要到来,而6G何时到来则主要取决于钙钛矿的稳定性及其面临的其他挑战。

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(责任编辑:Selina Shi)

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