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晶体硅产业技术面临技术升级 PERC电池未来或将失败于光衰问题

国际太阳能光伏网  来源:PVCEC  日期:2017-10-18
  2017年10月17日-19日,2017中国光伏大会暨展览会(PVCEC2017)在北京隆重召开。在18日上午的创新剧场【新型电池&组件技术】论坛上中国科学院电工研究所研究室主任,研究员王文静在主题演讲“晶体硅产业技术面临技术升级”中表示,PERC电池的效率可在2018年升到21.5%,PERC多晶硅性价比的问题将影响其产业化,N型PERT电池在成本上无法与P型PERC电池竞争,在效率、双面发电等方面受到HIT电池的挤压,在下风中很难生存。如果PERC电池将来失败的话,一定会出在光衰问题上。
 
QQ截图20171018134512
 
  以下为演讲实录:
 
  王文静:谢谢各位,今天在这个场合,我来介绍一下光伏产业面临技术升级,我们看一下最近这些年它整个光伏产业在技术的发展上非常热,因为很多种技术都进来了,我们说一种太阳电池如果能够大规模的应用,它一定要有三个腿来支撑,就像一个凳子一样,有三个腿来支撑,一个是效率,第二个是成本,第三个是寿命,只有三个方面加在一起都很强,这种电池才能真正大规模在产业上应用。我们看中间这个就是常规的晶体硅电池,它现在最起码到目前为止它在效率、成本和寿命方面都是最强的,以前曾经热过一阵的非晶硅,但是它的问题在于效率比较低,当时只有6%到10%,还有一个问题有严重的衰减,衰减百分之二三十,寿命也是它的短板,所以这种非晶硅就慢慢退出历史舞台。V族电池那么高的成本只能用在航天上,用在特殊的聚光跟踪的系统,我们现在只有晶体硅同时具备三种方面,现在碲化铬它同时也具有三种优势,组件到15%、16%比较高了,但是它的寿命也可以,它的问题就是成本是否能够在未来具有竞争性,这个在国内也有几家大企业在同时上,现在大家也在拭目以待。
 
  我们刚才说了三项中效率、成本和寿命,我们看实际上效率提高是非常重要的一点,效率的提高同时可以降低成本,我们看这个是一个什么呢?这是比较早了,美国一个公司做的一个成本和收益,这个收益是LCOE(注:平均化度电成本),就是电站的分析,从这张图的坐标,横坐标是组件在现场所谓的价格,也就是说用每平方米多少美元来横坐标计算,纵坐标就是这个电站发电的成本,效率是黑线,6%、9%、14%、25%、29%,是个等效率线。还有一些是组件的价格,还可以用每瓦来算,比如黄线,黄线每瓦2.4美元,从这儿来看,因为我们一般来讲,中国有的时候它做组件销售的人,或者做电池的生产者,它主要关注的是每瓦多少成本,但实际上真正的要想在实际上应用能赚多少钱的话,是电站能发出多少电来,每度电多少成本,就是纵坐标LCOE是电站的运营者最关注的。比如说那根黄线,假如每瓦1块9美元,效率6%,价格仍旧是1.9美元,那么度电成本是15美分,但是如果效率达到25%,同样价格是每瓦1.9美元,度电成本只要到9美分就够了,所以从这个图上来看,如果你售价一样,一定是效率越高,成本越低。从底下这张图表可以看出一些计算出来的数据,举了四种电池,高效的19.5%、14%、10%、低效薄膜的,像非晶硅6%。如果度电成本达到10.7美元,从这儿来看,如果你要高效的话,就允许它每瓦销售可以达到2.2元,2.2元就可以达到度电成本了,但是低效薄弱的就必须是0.44美分,每瓦组件必须0.44美元的时候,你才能达到,显然要求价格下降很多。再看6美分,假如19.5%高效组件,低效组件达不到,这个组件白给我,也达不到这个度电成本,所以低效就意味着发电的度电成本的增高,当然这里头很多问题了。你要详细从技术上来说,但是数学模型是这样的结果,所以高效在度电成本来说是降低了成本。
 
  所以我们说提高效率有几个方面,一个是提高效率有可能成本也要提高,因为你增加工艺了,增加新材料了。第二个假如你能提高效率,同时能维持度电成本,这个更好了,所以你要提高效率增加成本,有可能增加LCOE,如果你要更好的情况下提高效率,同时电池成本还下降,那你就可以降低,另外我们看降低成本,假如你降低了成本,比如这个电池,把成本降下来了,但是效率还不变,不下降,这个时候它一定能降低电站的度电成本,LCOE,另外假如降低了成本,把效率也降下来了,可能维持或者增加LCOE,另外我们看各个成本和寿命之间的关系,我们看太阳电池现在面临非常大的技术进步,技术进步的第一个层级就是各个企业在提高电池效率,然后降低组件成本、延长寿命,就这三点,这只是说最低的第一个层次,第二个层次的技术进步,就是要在提高效率的时候,还不降低成本,成本不上升,这个是第一。第二你要降低成本,同时效率还不能下降,第三个你延长寿命,还不影响成本和效率,所以这个层次就难度比那个大点了,比如说PERC电池做了,但是你可能增加了一部分成本,这个只是说第一部分,假如你PERC电池把效率提高了,同时能把它成本降下来,那么这个你的水平就高很多,在企业最起码盈利水平高了,在企业竞争力,整个市场的定位就提高了很多,但是最终目标所有努力的方向都是降低电站成本,度电成本。
 
  现在太阳电池整个技术的进步我们可以分成两种类型的技术进步,第一种就是渐进式的技术进步,就是它整个生产设备的格局基本的概念,比如说扩散等等,这些不变的情况下,我们在逐渐的改进它的设备,改进它的结构,以及改进它的原材料,最后效率一步一步提高,这个就是右边的所谓建制式的创新。比如说原来现在大部分用的是叫所谓铝贝厂,这个就变成了PERC,如果把PERC变成空型,变成离子注入,再变成正面扩散,相当于基本的扩散基本结构不太变化,这就变成了n型的PERC,你把它用成三氧化铝,再用点多晶硅,再一乘积,这个意思是差不多,就变成了Topcon,种类也是差不多的,所以这个我们称为渐进式变化,这个电池效率在逐步提高。还有一个我们说所谓革命性的变化,这个革命不能说特别伟大的意义上革命,就是这个变化比传统的设备要变化很多,整个设备要大规模更换,一个IBC,一个HGT,它把前边电机全部取消,全面背面用一层n型P型,就是把一个立体双机气件,所以它的结构有个巨大的变化,所以我们说这有一些革命性的。另外就是HIT,它是把完全偏节变成了非晶硅的模式,所以整个沉积做ITO电极都是完全不一样的。另外异质结,我认为在未来很有发展前途呢,因为异质结用了两种不同宽度的半导体,这个实际上是突破了原来同质结半导体的极限,这里做了一个结构上的革命,原来同质结半导体,所谓理论极限最高到30%,为什么?因为它的偏结的紧带是一样的,一下拉宽了以后,在原理上应该突破原来的同质偏结,所以是一个大的变革,同质结随便一做120、130,同质结想做700多的开压几乎是不可能的,所以我们就认为异质结实际潜力很大,但是现在遇到很问题,比如动画、表面有问题,但是这些东西都是可以解决的,所以异质结电池,我认为它是带有一些革命性,能突破理论极限的技术,所以未来空间是很大的。将来把这两个电池结合在一块,把异质结电池也把它正表面完全取消,这就很容易形成所谓HBC,就是异质结被接触,所以这个就是它整个现在技术革新的整个情况。
 
  为什么我们说异质结HBC它是一个很大的进步呢?将来可能成为最终的晶体硅太阳能电池的方向,它既结合了异质结电池的高开压,同时结合了IBC电池的大电流,原来异质结开压很高,但电流不高,所以把它们俩结合以后,人们在思想上有所变化,而且现在它的效率是最高的,今年的26.6%,在实验室阶段确实证明了它未来的潜力。现在这几种电池,都有很多的报道,现在最流行的PERC电池,这个是差不多的,可能有一些最先进国内或者国际的企业能到21.5%、21.4%,但是实验室效率更高了22%,比常规电池的效率高很多了,PERT电池也在21%,IBC还不是很多,还没有太高,但是三阳已经到23%左右。
 
  这就是我们从最上面的所谓(里贝厂)电池配出来的新型电池,我认为目前产业化或者最好的一个是HIT,还有一个PERC,n型双面也有很多,但是还有一个挑战。这几种电池实际你要看一下它的工艺难度,常规电池基本难度都没有了,PERC电池现在有三氧化铝合激光开槽,从设备和技术工艺上没有太大变化,但是比常规电池多了两道工序,n型电池实际上也是七道工序,但是多了两个问题,一个多了扩硼,现在它的成本高于PERC很多,因为扩硼工艺虽然说已经解决了,但实际上扩硼的难度非常大的,第一离子注入硼是很难的,因为硼的原子是很轻,打不进去,2016年光伏会议上,欧洲我统计了一下六七种方案就是如何把硼掺进去,比如说它的温度高,另外一个它对管的腐蚀,因为硼很容易粘片、粘管,而且你这一降温以后,玻璃管发脆,所以它影响了扩散炉的寿命。另外还有很多问题,所以扩硼的难度还是比较大的。
 
  像离子注也不行,好多都想把硼弄进去,但是难度非常大,离子入磷问题不太大,主要是成本比较高,其他的在用镀三氧化铝,前两面如果用三氧化铝的话,如果用现在的话设备成本可能比较高,所以现在来讲,不管如何,你效率怎么着,它的成本高,比PERC高,但是反映出来的效率并不比PERC高多少,很有可能被HIT挤过来,它的效率跟HIT效率差不多,甚至HIT在国内产业化大规模推广以后,HIT还会更高,此外HIT的工艺步骤短,4个步骤,所以短就是最好,你工艺短,你所受的影响就少,你的控制能力就高,所以HIT当然它的表面动画还有一点问题,但是它的透明导电磨都不是问题,所以将来解决好它的动画这个问题,它的HIT就没有太大的问题,所以从这儿来看,实际上n型双面电池受到来自PERT电池和HIT电池两方面的挤压,从效率HIT高,在降本可以挤压n型双面电池的空间,PERC电池效率差不多,但是成本低,所以n型双面电池受到这两方面的挤压以后,将来可能要必须寻找自己的突破,比如将来效率能不能进一步提高22%,这也是他面临的问题。
 
  我们做了一些比较,从这儿来看,几种电池不一样,像PERC和常规都可以多晶单晶,但是其他几个n形都是单晶,硼搀杂是最难的,这边是镀非晶硅是最大,双面发电三种都可以,但是n型PERC电池只能达到60%到70%,其他可以大于90%,另外从成本方面,当然现在里倍厂最低,HIT最高,但是次序随着时间产业的发展会颠倒,完成一个变化。衰减现在发现就是n型电池最大的优势,就是它的衰减没有,PERC电池现在衰减最多,所以现在国外也集中大量的力量来解决它的衰减,如果将来PERC电池过了一段时间又衰减下来。综合评价里倍厂现在已经基本达到瓶颈,很难再进一步提高了,现在这么多的产能,大家陷入一种竞争,所以有可能出现一个很残酷的低价竞争,这种低价竞争造成这些企业生存困难,所以这个是里贝厂,所以现在可能问题不大,但是未来这个问题可能是PERC电池所面临必须急需解决的问题,n型PERT的问题空间受到两侧的挤压,两个红的东西的挤压,HIT现在也是无光、双面发面的潜力还是比较大的,主要任务是降本。
 
  这个是一个产能的预测,2017年认为可能今年要建20GW,这是很多公司大部分在单晶PERC做,也有在多晶PERC方面,PERC电池的成本下降,你们看2015年开始的时候,单晶PERC和多晶的常规电池,绿线之间的价格差还是很大,看到2016年9月价格差就缩小了很多,我相信最近这一段时间它的价格差,随着规模的扩大,价格差会进一步缩小。PERC电池光衰遇到机遇的挑战,如何降低成本,比如TMA用一些更低价更稳定的替代,三氧化铝浆料的改进,我不用镀膜了,如何进一步提高效率,把硅片质量提得更高,包括它和SE的结合,包括和MW的体和,进一步提升发电,挑战一个光衰,第二LETID,所以它进一步降低硅片金属含量也是很重要的,刚才讲的是PERC,这两种技术稍微介绍一下,这是HIT,HIT现在已经建成四五百兆,马上今年年底就要开始安装了,理想老总正在加班加点的去为600兆瓦做设备。它的设备已经有很多企业可以提供设备的解决方案,另外我们说HIT现在有一个很大的变化,最早创新模式是三阳一家,三阳它的设备供应商都是有限的,就是几家日本的供应商给它供应,我们认为它的工业基础基于日本的制造业,但是现在不同了,中心是将来想建生产线的企业这么多,先是现在每一个设备,像PCVD、PVD,还有植绒、浆料,都有很多的设备商和材料商来给它供货,这么多企业靠全世界的工业基础,靠中国的大规模生产降本能力,HIT一定能把成本降下来,效率不是问题,但是成本是一个降低的问题,在新的创新模式和产业化模式带动下,效率肯定会提高的。1995年到2015年,20年三洋公司把HIT做到23%,但是这些公司在短短几年内,我们觉得可能有它的基础,但是其他公司在三年内可以把这个提高到22%,所以这个在提高效率和降低成本是大有前途的。
 
  另外它的设备现在热丝有PE还有LPVD都可以做,降低成本技术路线,扩大生产规模,建设完整的产业配套体系,包括设备、原材料国产化,全自动化、智能化,将本的专项技术。比如说现在这是一个曲线,最早的时候将近一百美元一瓦,最早在70年的时候,一瓦电池组件一百美元,降到今天0.4美元一瓦,始终遵循着所谓的学习曲线,产能越大成本越高,这基本上是一个直线,你说HIT也好,PERC也好,一定能把产能拉上来,形成所谓的过剩,这种过剩造成竞争,竞争造成讲价,整个设备国产化,现在完全可以国产化、自动化,我看了有一家基本上都不用人,中间的传递全部是机械化,自动化现在第一可以全国产的设备,第二可以全自动的无人,现在出现了黑灯车间,就是全自动的分装线。还有设备,像RENA清洗机,现在一百兆瓦只要二十多万,另外金刚线也是降低常规电池的,污染少、废液处理少,正式由于单晶硅实现金刚线的切割,所以单晶硅的价格下降的很厉害,前面有段时间多晶硅叫命悬一线,命悬在金刚线上,但是现在解决了。但是所谓预测是有点失效,它原来预测2017年百分之七八十还是多晶硅,还是常规电池切割,但是现在实际上认为可能2017年甚至2018年可能基本上大部分多晶硅切割全部改成金刚线了。
 
  PERC电池也可以做成双面的,像Solar World可以做成双面的,大概百分之六七十左右,像东洋铝不用激光开槽了,台湾益通不用PCVD了,如果这俩一加上,PERC电池在设备上和常规电池没有任何差别,如果这两个实现,PERC成本应该逼迫常规电池,我们主要的衰减就是PERC电池的衰减在于两种,一种硼衰减,第二个单晶和多晶都存在,第三个光衰也有一些方法,在这个之外有两个公司宣布无衰减的PERC电池,也是大家其他企业如何把这个技术找出来,引到自己生产线的重要步骤,这就是Q-cell,实际现在最新的研究结果2017年发表的,单晶硅PERC电池也有辅助衰减。
 
  结论,常规BSF电池现在是无路高攀,它再把效率进一步提升,没有太多的思路,现在运营黑硅,但是黑硅的问题还有很多,第三个PERC电池的效率可在2018年升到21.5,这个看来问题不大,PERC多晶硅性价比的问题将影响其产业化,就是它的设备都是跟单晶一样,但是提升的量并不大,N型PERT电池在成本上无法与P型PERC电池竞争,在效率、双面发电等方面受到HIT电池的挤压,在下风中很难生存。如果PERC电池将来失败的话,一定会出在光衰问题上,谢谢。
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