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单晶硅片大尺寸路在何方?

国际太阳能光伏网  来源:Solarwi  日期:2018-11-09
  在此前的很长一段时间,硅片尺寸是统一的156毫米,行业内企业都执行这一标准,归一化的标准有利于行业成本的降低,近些年随着单多晶竞争趋于激烈,且领跑者项目对功率有要求,于是大家纷纷在硅片尺寸是做起了“文章”,但由于各家企业各自为战,使得硅片尺寸纷繁复杂,156.75、157.25、157.4、157.75、158.75、161.7甚至还有166.7等多种规格。而且不同边长的硅片对应多种尺寸的导角、多种尺寸的组件版型。复杂而不统一的规格型号增加了企业的生产成本、企业间的交流成本以及电站业主的设计成本。由于各自为战的硅片标准带来诸多生产、交流成本,不符合光伏平价化的大趋势,所以行业需要一个新的、统一的硅片尺寸标准来消除上述成本,然不同规格对应不同成本也有不同的收益,不同企业生产设备不同,对新的规格尺寸适应能力也不一样,什么规格的尺寸才是能满足大家需求、各方均能接受的尺寸?是本文要讨论的议题。
 
  一、硅片大尺寸会带来哪些好处?
 
  由于一些企业最初硅片大尺寸化的原因是:单多晶激烈的竞争和为了满足领跑者的功率要求,所以“硅片大尺寸化”被一些朋友扣上了“投机取巧”这个不太光彩的帽子。然而实际上硅片大尺寸化有其现实的经济意义。
 
  1、电池片生产线产能是按照“通量”来计算的,例如最新一代的电池片生产线每小时可印刷5500片电池,生产节拍是按照1.3秒/张×2(双轨设备)来计算的,在生产设备允许的范围内,更大的硅片尺寸意味着更大功率的电池产出,虽然单条生产线的出片量还是一定的,但是单张电池片的功率提高了。虽然单张电池片上所要摊销的人力、折旧等消耗还是一致的,但是单瓦的摊销更低了。
 
  2、组件环节也是同样,串焊机和层压设备也是按照“量”来的,在生产设备允许的范围内,更大的硅片、电池片意味着更高的生产效率。
 
  3、老一代生产设备精度不够高,在标准制定时电池片之间留有更大的空隙为精度不够高的设备留下足够的容错空间。随着以先导智能、捷佳伟创为代表的一系列优秀的电池设备、组件设备生产商供应一代又一代更加廉价、高精度的设备后,我们需要的容错空间更小,电池片之间的缝隙可以减小,隆基股份推出的M2尺寸规格(硅片尺寸由原156mm改为156.75mm)就是通过缩小电池片间缝隙、没有改动组件尺寸的情况下实现的,这等效于单位组件面积内功率提升。这个方面的潜力挖掘似乎还没有到头,晶澳太阳能近期在不改变组件尺寸的前提下把硅片尺寸做到了157.4mm。
 
  通过以上几个方面例子我们发现,硅片大尺寸化绝非投机取巧,经过测算,在不明显增加电池环节成本、不明显改变下游组件尺寸、不增加下游电站建设成本的情况下,通过改善硅片尺寸化可以使组件功率提升1~3%(不同硅片规格对应不同提升幅度),虽然这个提升微不足道,但在电池片效率提升越来越难得情况下,硅片大尺寸化势在必行,从这些角度上看,一定程度内的大尺寸化是挖掘现有设备潜力的“微创新”。
 
  二、硅片大尺寸化面临哪些障碍?
 
  适度的硅片大尺寸化好处多多,但并非没有尽头,伴随着硅片尺寸的增大,阻碍也就越来越多。硅片尺寸增大到158.75需要更换花篮、夹具等设备,对于老的电池设备产能而言技改费用约为40万/100兆瓦;尺寸进一步增大到161.7mm时电池产线需要更换的设备就更多,技改费用增加到60万/百兆瓦;而当硅片尺寸大于161.7mm时就超过了现有PECVD设备的承受极限,此时对于较老的电池产能就失去了技改的经济意义。而对于166.7mm这种超大尺寸硅片则就需要定制化设备才行了。从标准的制定角度看,一个标准的出台就要尽可能多的适应不同企业的诉求。如果我们认为这一轮大尺寸化的过程是挖掘设备潜力而又不明显改变组件尺寸的“微创新”,那么太大硅片尺寸就是创新过度。
 
  从组件环节看,硅片尺寸从156mm增大到157.4mm不需要增加组件尺寸;158.75的硅片需要60型组件长度增加1.4cm,增宽0.8cm;161.7尺寸的硅片需要60型组件长度增加4.5cm;宽度增加2.6cm;使用166.7mm硅片的60型组件尺寸长度增加约12cm,宽度增加6cm。历史经验看:亚太地区青睐60型组件、欧美地区亲来72型组件,之所以出现这样现象的背后就是各地安装工人的体格不同,当前组件尺寸是经过多年经验摸索确定下来的,我们可以一夜间把组件尺寸加长12CM,但不可能让安装工人的平均身高一夜间长高12cm。组件尺寸过于显著的变化,将会使终端客户接受过程中面临众多障碍。不仅是终端接受度的问题,伴随着组件尺寸的增大,我们需要更大的光伏玻璃、更大的封装边框和胶膜、更昂贵的运输费用和安装费用、更结实的光伏支架和更大的占地面积。所以我们可以看到,硅片尺寸大到一定程度其带来的边际效益为零,而且由于非标组件带来更高的设计成本,当硅片尺寸超过一定程度时,甚至可能出现大尺寸化边际效益为负的情况。
 
  三、“微创新”视角下的下一代单晶硅片规格的选择
 
  熟悉我的朋友应当知道我喜欢从第一性原理出发思考问题,写过一些光伏行业研究方法论的文章,也写过光伏哲思录系列。“微创新”是我今天反复强调的三个字,也是我对此轮硅片大尺寸化本质的理解,和上一轮硅片尺寸由125mm提升至156mm进而革命性的降低光伏发电成本不同,现在行业上下并没有显著改变硅片尺寸的诉求,而是尽量不改变现有产业格局下的潜力挖掘,是一种微创新、微进步。在选型下一代硅片尺寸时,如果我们能把它理解为“微创新”,那么很多问题也就迎刃而解,166mm尺寸的硅片自然是一个首先排除的选项,因为这个标准显著改变了组件尺寸,终端客户必定会有强烈反弹进而使之不能成为主流标准。同样道理,我也不是特别看好161.7这个尺寸,毕竟组件长度增加4.5cm已经算得上是十分显著。
 
  事物总是有两面性,在产业上下不能接受太大的改变的同时,太小的改变又容易让人忽略不接。既然是“微创新”,要增加投入成本,我们在新一代硅片尺寸的选择上至少要做出能让终端客户感知的到的提升。近期多晶组件应用157.25等尺寸,仅是为了更高比率的组件能做到275W以上的无奈选择,远算不上是一次创新。所以改变太小就可能算不上创新了,因为终端客户可能就没有明显感知了,自然也就无法在组件端带来明显的溢价。
 
  在“微创新”视角下硅片尺寸改变在既不能太大(产业接受有问题),又不能太小(进步不明显消费者无法感知)两方约束下,我们发现选择似乎豁然开朗,直接得出我自己的结论吧:我认为下一代更合适的单晶硅片尺寸为160mm厚度、158.75mm边长的方形单晶硅片。理由如下:
 
  1、158.75mm边长的硅片比现有156.75mm的硅片仅长2mm,现有的全部产能都能通过技术改造升级,且技改费用合理、可承受。根据某大企业电池技术总监给我提供的数据,即便对于很老的电池产能,100MW的技改费用也可以控制在40万以内。
 
  2、158.75mm边长的方形单晶硅片的面积(25,197m㎡)比现在的M2规格单晶硅片面积(24,429m㎡)大3.14%,根据我从爱旭方面的了解,在现在M2尺寸下2019年年底预期主流功率可以达到315~320W,那么电池片面积增大3.14%从理论上测算带来的功率提升最大可达到10.05瓦,相当于组件两个功率当,提升幅度已经达到了“显著”的水平,消费者可明显感知这一提升,若这一规格尺寸的硅片能得以推广并叠加电池技术的进步,我们在2019年年底有望见到60版型单晶perc组件主流功率接近甚至达到330瓦的水准。
 
  3、158.75mm边长的电池片封装后的组件规格尺寸仅增长1.4cm,按照百分比测算相当于增加1%,且由于应用到了160um更薄的硅片以及与之相对应的更薄的EVA,虽然组件面积增大1%,组件整体总重量保持不变。对于安装运输等环节把不利影响降低到了最小。
 
  4、生产158.78mm的方形单晶硅片拉晶体环节和硅料环节的成本有所增加,但硅片厚度从180um降低到160um带来的成本下滑更为显著。所以综合测算:生产158.75mm、160um厚度的方形单晶硅片的成本会比180um厚度的M2硅棒成本低8分钱(后面会有详尽测算)。
 
  综上四点:158.75mm边长、160um厚度、224.5mm对角线的方形单晶硅片有生产成本降低、组件重量不变、功率提升两档、电池端接受度高等诸多优势。
 
  四、方形单晶硅片是“微创新”视角下的必选项
 
  这一节先普及一些基础知识,专业人士可直接跳过
 
  硅片尺寸不仅涉及边长,还要涉及形状。所以今天讨论的议题不仅涉及硅片的边长,自然还需要涉及硅片的形状。在以前,单晶硅棒的长晶成本十分高昂,硅料价格也是高高在上,所以为了尽量减少浪费,单晶硅片都会留有四个“导角”。
 
  这四个导角最终体现在组件上就是封装留白。
 
  组件封装留白本质上是一种浪费,在以前拉晶成本高、硅料价贵的时代,封装的导角留白是经济理性的,而时间点来到当下,硅料价格已经相比去年已经跌去一半,单晶拉晶成本也显著性的下滑,金刚线切割和薄片化的推广更显著降低了切片成本,我们是否到了可以消灭单晶硅片导角、消灭单晶组件的封装留白的历史性时刻呢?
 
  我们更进一步把问题量化:要想生产158.75mm方形单晶硅片需要硅棒的生长直径由原先的215mm增加到228mm,进而增加长晶和硅料的成本。但与此同时消灭单晶硅片导角可使组件有效利用面积增加,下游电池和组件环节在完全不增加任何成本的情况下可提升组件功率进而带来价值。所以要回答是否要使用方形单晶本质上就是要回答:方形单晶带来功率提升的价值是否显著大于拉晶、硅料环节增加的成本?其实这又可以分解为两个问题:
 
  1、生产方形单晶硅片成本会增加多少?
 
  2、方形单晶硅片带来的功率提升价值有多少?
 
  计算前的一个原理、两个假设:
 
  基本原理:面向未来的分析要基于面向未来的假设。
 
  两个假设:由于我认为未来P型单晶硅片会过渡到160um厚度,且根据本文第三节的分析,硅片边长有潜力成为158.75mm,所以下面的测算中我们都是基于160um厚度以及158.75mm边长这两个面向未来的假设。
 
  问题一的解答:生产方形单晶硅片成本会增加3.78元/60片。
 
  生产对角线长度为210mm、边长为158.75mm、厚度160um的带导角的单晶硅片的成本为:2.358元/片,计算过程如下:
 

 
  生产对角线长度为224.5mm,边长为158.75mm、厚度为160um的方形单晶硅片的成本为:2.421元/片。
 
 
  (注释:计算中假设215直径圆棒每1kg的长晶成本为34元(粉色部分),而228直径的圆棒1kg的长晶成本为32元,这所以这样假设是因为228直径的圆棒横截面更大,晶体生长的接触面更大从而可带来单位kg长晶成本的降低)
 
  答案:在158.75尺寸上引入方形单晶的尺寸会使得每张单晶硅片成本增加2.421-2.358=0.063元,每片组件成本增加0.063×60=3.78元。这是引入方形单晶硅片所需要增加的成本。
 
  问题二的解答方形单晶硅片带来的功率提升价值有多少?
 
  158.75的方形单晶硅片有效面积(25,193m㎡)比158.75的带导角的单晶硅片的有效面积(24,983m㎡)大0.84%,对应明年单晶perc主流315瓦的功率,0.84%面积增大可带来315×0.84%=2.65瓦的功率提升。组件功率提升有两个方面的价值,一个方面是更大功率组件带来的面积相关成本更有效的摊销(反过来说是更高功率组件可以卖更贵);另一方面是增加的功率本身具有价值。两方面的价值分别为:
 
  面积相关成本500元的假设下,组件功率提升2.65瓦带来面积相关摊销价值为:500÷315 — 500÷317.65=0.0132×315=4.17元。
 
  按照2019年perc组件1.9元的预期售价,2.65瓦的价值为2.65×1.9=5.03元。
 
  所以消灭导角带来的价值为4.17+5.03=9.2元。
 
  本节结论:
 
  对于一张60型的组件而言,消灭单晶硅片的导角所需增加的成本为3.78元,而消灭导角所带来的功率提升的价值为9.2元,带来的价值显著大于所增加的成本,理性分析下,新一代单晶硅片尺寸的制定消灭单晶硅片导角,全面推广方形单晶是必选项。而且从长久角度考虑:方形单晶硅片有利于未来推广叠瓦技术,是为下一轮组件封装技术革命的标准准备工作。
 
  再回到本节的主题,从晶科、天合等光伏出货量龙头企业的技术负责人方面了解到:对于电池和组件环节,使用方形的单晶硅片没有任何障碍、无需增加任何成本就可以带来功率提升。推广方形单晶硅片唯一需要改变的就是长晶环节生长更“粗”的硅棒,从隆基方面了解,这个也没有什么技术难度。产业上下所需要作出的改变很少,带来的价值显著大于带来的成本,方形单晶硅片是典型的“微创新”活动。反过来也是“微创新”思路下的最没有障碍的选择、最容易作出的改变。所以我本节题目才说:方形单晶硅片是“微创新”视角下的必选项。
 
  文章结语:
 
  下一代单晶硅片尺寸规格是边长158.75mm、厚度160um、对角线224.5mm的方形单晶硅片是我基于一系列思考和汇总的信息得到的结论。这一规格下:硅片成本不增加甚至会比现在156.75的180um厚度的单晶硅片略有降低、组件尺寸不发生大的改变、组件重量保持不变但是组件功率有望提升两档(10瓦)。若这一尺寸能在2019年得到普及,60版型的单晶perc组件功率有望在2019年末达到330瓦,从而继续保持组件功率每年10瓦以上提升的高速度。
 
  与此同时我还特别想强调的是,这个规格仅是我自己的思考,不绝代表它一定就是最合理、最好的,我在本文章详尽记录了分析的过程和基础数据。结论不是关键的,思考的过程和方法才是关键。我更希望能在思考方法上给大家在下一代硅片尺寸标准选定上提供一些借鉴。若本文能对大家思考未来单晶硅片尺寸选择上有丁点作用,我便心满意足。
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