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影响光伏度电成本的全产业链十大技术变革

返回列表 来源: 发布日期: 2022.07.04 浏览次数:

光伏自诞生以来,就一直在效率提升和降本的路上。进入产业化后,这种趋势就愈发明显,而推动光伏发电效率提升和制造降本的,自然是技术进步。


本文将盘点本世纪以来影响光伏效率和成本的十大技术变革。


1.多晶硅制造降本


☞☞ 多晶硅 料价格已突破 280 / kg


光伏的主流技术是晶硅光伏发电,因此多晶硅材料是光伏发电的根本。从拥硅为王到硅料过剩,再到硅料短缺,硅料的成本和价格始终是影响光伏成本的第一要素。


而多晶硅料最重要的成本便是能源成本,降低硅料的能耗、寻找更低的能源价格是降低多晶硅生产成本的重点。多晶硅的生产技术工艺,经历了从西门子法到改良西门子法,再到流化床法颗粒硅的过程。


多晶硅生产的西门子工艺起源于德国西门子,因此又叫西门子法。1955年,西门子公司成功开发了利用氢气还原三氯硅烷在硅芯发热体上沉积硅的工艺技术,并于 1957年开始了工业规模的生产,至今该生产方法已经沿用半个多世纪。其原理就是在1100℃左右的高纯硅芯上用高纯氢还原高纯三氯氢硅,生成多晶硅沉积在硅芯上。


但西门子法存在多晶硅转化率低,四氯化硅等副产品污染严重等问题。在过去 60多年中,业内参与者不停地对西门子法进行技术优化和提升,已经改良到了第三代。改良西门子法在传统西门子工艺的基础上,将生产过程变得更 节能、降耗,回收利用生产过程中伴随产生的大量 H2 HCI SiCI4 等副产物以及大量副产热能的配套工艺,其优点已经非常突出。


改良西门子法大大降低了多晶硅能耗,且合理利用了副产物,减少了环境污染,目前全球前十硅料生产企业的技术路线都以改良西门子法为主。但经过几十年的发展,改良西门子法降本的空间已几乎没有,而且与新出来的流化床法相比,仍属于能耗高,污染重。


流化床法,最早是美国联碳公司在1952年开发出将硅烷分解沉积在固定床上硅颗粒表面的技术,这也是流化床技术最早的雏形,数年之后,杜邦公司在 1961年申请了使用三氯氢硅为原料在流化床内生产颗粒硅的专利,标志着流化床法正式面世。


流化床法的主要原理是将硅烷用氢气作为载体,像气流一样从流化床反应器底部注入,然后上升到中间加热区反应,因为有底部进料时候的气流源源不断的进入,可以让反应器内的籽晶沸腾起来,处于悬浮状态,注入的硅烷等原料和氢气在加热区发生反应。然后,随着反应的进行,硅逐渐沉积在悬浮状态的硅籽晶上,籽晶颗粒不断地生长,长大到足够重量的时候,硅颗粒沉降到反应器的底部,排出的就是颗粒硅。


流化床法只比西门子法晚出现 5,但至今仍未得到大规模的应用,尽管其省电、污染少、副反应少、效率高,后期加工成本更低。但其纯度问题、安全问题导致至今未大规模应用。

不过这一情况正在改变,2021 11月协鑫硅烷流化床法颗粒硅 2万吨产能正式投产,实测综合电耗可降至 15 千瓦时/ 千克。目前颗粒硅在建及规划产能已经达到 60万吨,协鑫在这一领域摸索 10 ,蓄势待发。


光伏降本中,多晶硅生产工艺降本成为材料降本的第一要素。


2.长晶技术高效化


单晶完胜多晶,除了金刚线切割的外来加持起了重要推动外,单晶工艺的革新让单晶的长晶成本和质量大大改善。


此前,单晶成本一直高于多晶,在于其长晶速度慢、硅棒直径小、抑氧能力不足、热场分布不均等诸多因素。


2015年前后,隆基在单晶领域取得了连续拉晶、多次加料拉晶、大装料、快速拉晶、节能热场等技术领域的快速突破与推广应用,先进单晶制造商单炉投料量已经达到500kg以上。隆基研发测试中的CCZ连续加料技术,能够实现边拉晶边加料,进一步大幅提高投料量和单炉产量,降低拉晶成本,在长晶环节逐渐逼近多晶铸锭。


在热场控制领域,必须重点提及碳碳复合材料替代石墨材料的重大技术创新。 碳碳复合材料 ,可有效提高热场使用炉数,降低电保成本,可以做更大的坩埚以增加坩埚单炉投料量。而此前的坩埚一般采用等静压石墨材料,在安全性、经济性等方面都不适于大坩埚。隆基利用坩埚涂层技术大幅延长坩埚使用寿命,更好地适应多次拉晶。


此外,2015年起国家大力推动的“智能制造”工程,也助推单晶领域通过提升单晶炉自动化、智能化控制水平,减少单晶生长过程中的人为干预和用工数量,从而提高成晶率并降低人工成本。


单晶领域的不断快速进步,使得单晶方棒成本以更快的速度下降,最终加快了单晶对多晶的市场取代,让光伏电池更高效的同时,也大大降低了光伏度电成本。


3.硅片切割精细化


硅片是从硅棒上一片片切下来的,晶硅片约占太阳能电池组件生产成本的 40%,晶硅片切割质量是影响切割工艺的重要因素。硅片的切割过程,由于生产工艺的改进,正变得越来越快、越来越薄、缺陷和杂质越来越少。这个过程中,最重要的变化就是从传统的砂浆切割转为到金刚线切割。


在电镀金刚石线切割工艺出现以前,绝大部分单晶硅和多晶硅厂商均采用砂浆切割。在晶体硅材料切割加工过程中,砂浆钢线切割是将碳化硅磨料加入到金属线和加工件之间产生切削作用,即边切割边向金属线送带有碳化硅磨料的浆液,存在切割效率低、锯口损耗大、表面粗糙度和面型精度难以控制、砂浆污染环境和回收困难等缺点。


金刚石线切割即采用特殊技术手段将坚硬的金刚石牢牢地均匀固定在钢线上,再用制作完成的金刚石线对材料进行切割。金刚线切割较之砂浆切割,单位产能耗硅量大幅减少;切割效率高,速度提升五倍;材料损耗少、出片率高,环境污染较小,产品质量提升,运营成本显著下降。


硅料价格暴涨加快了硅片减薄的趋势,砂浆切割的硅片主流厚度是 180μm ,最薄一般也只能做到160 μ m,并且会带来良率下降等问题。采用金刚线切硅片目前可以做到 140 μ 甚至更低,从而可以进一步摊薄硅片的硅成本和折旧。


在隆基的坚持不懈的推动下,光伏行业从2014 起逐渐向金刚线切割转变,目前已普遍采用金刚线切割,金刚线切割工艺也加快了光伏从多晶向单晶的转变,对降低硅片成本做出重大贡献。


近两年金刚线母线主要还是高碳钢丝,为了进一步提升切割效率和质量,降低切割成本,克服硅片减薄的挑战,光伏行业正在探索用钨丝替代高碳钢丝,目前从技术上已没有太大问题。


4.电池效率最大化


光伏降本的另一大要素是效率降本,从光伏发电诞生起,光伏电池就在不断地提升光电转化效率,先后实现了第一代常规 晶硅,第二代PERC 晶硅,第三代HJT/TOPCon 的产业化。


实验室中:1954 年全球首个实用单晶太阳电池效率为6% 1959年第一个多晶硅太阳电池效率达 5% 1976 多晶硅太阳电池效率达 10% 1980 年单晶硅太阳电池效率达20% 1998年单晶硅光伏电池效率达 25%


生产线上:2000 前后,商品化电池效率10% 2010左右 提高到13% 201 4 年前后提升到 15%2016 年左右提升到 17% 2018 年前后 提升到19% ,现在 普遍在21-22%左右 。先进技术如异质结TOPCon 的商业化电池效率已经提升到22-24%,这些成绩的取得,隆基、晶科、天合、华晟、中来、一道新能源等功不可没。


2000 10% 2020 20%,效率提升一倍,相当于降本50% 对效率提升贡献的相关技术包括多晶到单晶,掺杂、选择性吸收、减反、增透,硅材料纯度提升(10 年前通常认为太阳能多晶硅是 6 9 现在普遍追求7 9)等。


光伏电池的发电技术,也从原来的常规晶硅,到改良型黑硅、SE 等演变到 PERC的全产业化,从多晶 到单晶的全面取代,第三代晶硅 技术- HJT/TOPCon 也正加速量产中。


5.金属互联细密化


光伏组件封装,离不开电池片的金属化互联工艺,需要用焊带将单片电池串联在一起。这个过程中,金属化互联经历了从两主栅 2 BB )到 3BB5BB 7BB 9BB12BB ,以至发展出无主栅。


所谓无主栅,其实就是主栅细化、密化到看不出有主栅的存在。

主栅数量和线径的变化,让电池被遮挡的面积降到最低,减少内阻,还发展出三角焊带、圆弧焊带等形式,进而提升光电效率和电池功率。


6.组件尺寸变“大”化


单块组件效率的提升,一半来源于光电效率提升了一倍,另一半来源于组件面积增加了一倍。面积变大最大的诱因是电池片面积的增大和串并联方式的改变。

电池形状从最初的圆形、六边形到此后的正方形、矩形,硅片边距从 125mm 156 mm,再发展到166 182 210 mm ,单片电池的功率随着电池效率及面积的增加而增大,单块组件的功率也随着组件效率及面积的增加而增大。


2010年前后,单块组件的功率大约在 160W左右,2013 年提升至200 左右 2015 年到270 W左右,2017 300 左右,2019 350 W左右。此后 随着166 182 210硅片的出现,单块组件功率快速提升至 400W500W 600W ,目前商业化组件最高功率在660 – 700W


与尺寸变大相对应的,是组件板型的变化 2 015 年前板型变化主要是增大,串数增加、单串电池片数量增加已经电池片面积变大;2016 后,光伏板型出现重大技术革新,传统的单板型变成两个板块从中间互联(曾任职海润和协鑫的携创科技创始人张雨军曾申请板块互联设计专利)。


硅片、电池、组件尺寸的增加,让产品的加工成本大幅降低的同时,也降低了平衡系统的成本,逆变器的功率等级也越做越高,跟踪支架也在升级换代。


7.背板材料多元化


在光伏材料降本的过程中,辅材价格也迅速下降。除了因规模化生产带来的降本推动外,材料的更新和差异化也是推动辅材降本的重要因素。表现在光伏背板产品,主要经历 了由TPT KPK CPC T K C 的各种组合 TPK TPC KPC ,还有不含氟的 PET背板等。


TPVF 的简称,由杜邦率先推出并一度成为光伏背板标准BOP 。此后在阿科玛、赛伍技术的大力推动下,采用PVDF 材料( 简称 K 替代 PVF 成为一种新的背板结构 在大金、中来的推动下,采用氟涂料替代氟膜成为另一种CPC 背板结构;在东丽、尚善的推动下,采用耐候PET 制成不含氟的背板结构。


背板材料的多元化,大大加快了光伏辅材的降本速度。此后,背板企业又推出了不同含氟结构的组合,形成更多差异化的背板产品;杭州福膜、四川东材等公司又加快了背板原材料的国产化进程;明冠新材料等还在中间层材料和非氟背板材料也不断创新。


背板的差异化和多样化,不仅是技术上的革新和进步,还要经历一些列实证检验。十多年来,中国背板企业推陈出新,克服了重重困难,将背板材料和制造成本降到极限,为光伏降本做出了巨大的贡献。

8.封装胶膜复合化

经历了透明硅胶、离子型聚合物、PVB POE等材料的多年挑战后, EVA成了封装胶膜的代名词,横行 全球光伏。


随着双玻组件的发展,EVA 对于双玻封装的一些 “不适”也开始显现,此外即便是 PID EVA ,也只是 比普通EVA 更抗 PID 而已,行业对 POE 的兴趣越来越大。但相比EVA粒子 的国产化进展,POE 粒子至今仍完全依赖进口,胶膜的成本高于 EVA,对于 1 1分钱 的光伏来说,选择EVA 还是 POE始终在 争论。


光伏胶膜的领军企业  海优威率先打破了这一僵局。借助此前收购的爱康胶膜生产设施,海优威推出了 EPE  – EVA/POE/EVA ”的三层共挤复合结构,既保持了EVA 良好的加工性能,又增加了 POE 优异的绝缘性能。


采用三层共挤的复合结构,还从材料来源上打破了对单一材料的严重依赖。作为石化 类产品,EVA 粒子即便实现的国产化,其对进口的依赖度仍然很高,受石油 行情波动影响很大;POE 作为尚未国产化的材料,其 “卡脖子”效应更为明显。采用三层复合结构,可以 大大降低对单一材料的依赖程度,未来,POE 粒子的国产化已经开始,光伏胶膜降本的空间还将继续。


9.组件发电双面化


10 前,尚德、英利率先开始了组件结构的双玻化。此后由于众所周知的原因,天合光能扛起了双玻组件从开发到应用的行业大旗。


“双玻”,顾名思义是两块玻璃,其中正面玻璃功能与传统单玻一样,但背面玻璃则是替代了传统单玻组件结构中的背板。从此被称为 ba cksheet ”的背板,不再是有机材料的代名词,又多了“玻璃”新概念加持。

采用玻璃背板替代有机背板,被 寄予更长使用寿命、更防水、更抗PID 、抗隐裂、抗蜗牛纹 、更高机械载荷、更低成本等诸多期望。在天合、阿特斯、信义等领头羊的带动下,双玻组件完成了封装工艺和良率的种种挑战,在2015 前后开始量产并被广泛部署。


但真正让双玻组件市占率提升的,是双面发电时代的到来。随着双面电池成本越来越接近单面电池,双面发电的成本收益越来越受到行业的关注,晶科对未来地面电站都将是双面发电的预言,让双面的市场迅速壮大。而双玻最大的优势就是背面透明,允许双面发电。


双面发电产品的度电成本优势,在美国光伏201 关税的双面发电豁免政策下得到进一步的加持,一度导致2019 2020玻璃市场严重缺货。尽管透明背板也开始出现,但在双面发电的结构设计中,双玻依然是绝对的主力。


从单玻组件到双玻组件到双面组件,从单面发电到双面发电,光伏度电成本再次被显著降低。


10.支架跟踪“追日”化


“追日”从来不是一个新概念,2010 前后聚光光伏采用的便是追日跟踪系统,而常规晶硅光伏普遍采用的是固定支架。


随着聚光光伏的退出,聚光光伏的跟踪技术便开始向常规晶硅光伏系统转移,大约从 2015起,常规晶硅光伏用支架的“追日化”便逐渐开始得到产业化的应用,出现了如中信博、江阴协统、黄山睿基、杭州帷盛等一批跟踪支架生产厂家。


虽然聚光光伏的“追日跟踪”产品由于成本高,并未被常规光伏所采用,但“追日”的概念开始被光伏电站设计者接受,并在光伏领跑者计划的实施中被实证,光伏电站开始出现可调支架、平单轴、斜单轴、双轴等多种形式。


无论哪种形式,都是为了更好地追踪阳光,最大限度地利用阳光,特别是随着双面发电技术的普及,跟踪支架对发电量的增益表现尤为明显。其中平单轴,由于其结构简单、成本低、控制方便,市占率快速提升。



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