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未来光伏组件的发展方向

国际太阳能光伏网  来源:瞩日能源  日期:2018-11-09

今年531新政以来,光伏行业风云突变,加上经济大环境的双重作用,行业整体波动和深度整合趋势日益明显。半年过去了,通过提效降本谋求生存以及更大发展也再次成为所有从业人员最关心的中心问题,随着电池端提效潜力的逐步耗尽,当前组件端提效降本的新技术目前更受关注。

自2016年以来,组件端新技术新工艺不断涌现出来,从早期的超白背板、反光贴膜、反光焊带(除了圆焊带和三角焊带外的反光焊带),到近来的半片、双面双玻、镀釉玻璃、双层增透膜玻璃、MBB(圆焊带包括梅耶博格的SMARTWIRE)、叠片、三角形焊带,令人眼花缭乱,难以选择。这情景很像多年以前电池环节的技术爆发时期,当时也是各种电池提效技术集中爆发:SE、两次印刷、各种电镀电极、喷墨打印、硅墨、RIE(干法黑硅)、湿法黑硅、电注入、光注入、背抛光、金刚线、PERC技术等等,随着时间推移,有些逐渐销声匿迹、有些逐步成为了主流,甚至成为了新建和升级产线的标准配置。通过对这些技术本质的分析及其兴衰的根源探究,有助于我们更清晰地看到未来组件的发展方向。

光伏电池和组件,本质上是一种光电转换器件,目标是实现光电转换效率的最大化,也就是从太阳更高效地直接获取电力能源;光伏电池和组件的性能本质上由两个要素决定:材料和技术,所以我们首先分析下不同的要素对产品性能的影响程度。

材料是指组成光伏电池的各种物质基础,包括电池端的硅片、浆料以及其他扩散材料、镀膜材料、工艺过程用料等,和组件端的电池、玻璃、背板、EVA(POE)封装胶膜、焊带、边框、接线盒、密封/灌封胶等材料。技术是指对这些基本组成材料通过不同的工艺流程组合最终制成终端产品,不同的技术即是不同的组合过程和方式,不同的技术也使这些材料组成了不同的结构,而结构决定性能,所以说,光伏产品的基本性能由基础材料决定,而超常性能则由技术决定。比如,单晶产品一般比多晶产品效率高些。但是,同样的单晶硅片,使用不同的技术又会产生进一步明显的差异,比如PERC、TOPCON技术。前几年,基础材料的性能提升使得电池效率有了大幅提升,尤其是硅片和浆料这两款主要材料带来的提升,但是随着材料红利的逐步耗尽,近年来,由于技术进步带来的提升逐步更加突显出来,比如近期已经逐步成为标准配制的金刚线切片和PERC技术,以及未来逐步成为主流的TOPCON技术。在组件环节,电池片作为一种基本材料也是最主要的材料,电池片的性能就直接决定了组件的功率水平,所以一般单晶组件功率要高于多晶组件;但是不同的技术仍会带来更多的功率增益。

上面我们提到了结构决定性能,技术主要通过结构的变化来产生效果,下面从器件结构的角度再进行下分析。电池片主要由两大结构构成:基体结构和金属化结构。

基体结构主要功能是发电,是光电转换效应发生的场所,在基体结构上的各种工艺和次结构的设计主要目标就是提高光的入射总量、提高光生电流的总量、尽量减小复合,基体结构更多地是解决从光-电的过程的问题:电池端的提高硅片纯度、表面制绒、减反射膜、减小电极宽度、浅结、背钝化、SE工艺以及组件端的高透镀膜玻璃、各种反光焊带等提高入射光吸收和减小复合的技术也都是为了这个目标。金属化结构主要功能是收集、汇总并导出光生电流,包括背面金属化和正面金属化,主要目标是优化接触和传导电流,这里更多地是解决从电-导出的问题,目标是实现在光生电流导出的过程中最低的能量损耗。这两个结构性能也体现在三个主要电池参数上,比如短路电流和开路电压主要体在了电池体格(基体结构)的强壮程度,金属化结构的质量则更多体现在填充因子上面。

光伏组件除了上述两个结构外还包括封装结构,组件的基体结构主要电池片部分,金属化结构主要是指电池片的串焊工艺来实现,封装结构主要有玻璃背板EVA等材料及由其组成的保护结构,此部分结构对于不同的组件技术都是一样的,所以本文中我们还是着重从前两个结构来进行分析对比。

从上面的分析中,我们可以看出,好的基础结构一定要配合更好的金属化结构和技术才能得到更好的效果,就像P型电池配合PERC技术,发出来的更多的电一定要通过更好的金属化技术(或互联技术)才能以最低的损耗传导出去,对于组件而言就是,再高效的电池基础,也要通过更高效的金属化互联技术才能取得更好的功率增益。

基体结构和金属化结构又同时都受到材料和技术两个因素的影响,接下来,我们将从结构和要素这两个角度对不同组件技术进行分析,探讨究竟哪种技术未来很可能成为主流技术?或者一种技术要发展为主流技术,需要具备哪些特征或解决哪些问题?

在电池环节,过去的三四年中最主要的技术变革是金刚线切片和PERC工艺两种技术体系的突破性发展和普及推广。金刚线切割配合硅片表面处理技术主要是对硅片切割成本方面进行了大幅的改进,这是从基础结构和材料两个角度进行的改进,PERC工艺主要是从技术和金属化结构两个方面带来了大幅加分,用同样的材料做出了更好的表现。这种技术有个共同特点,都是对常规技术(沙浆切割和普通背电场)改进的比较彻底,在早期推广时都遇到相当的阻力。但是正是因为坚持了这种彻底性才使得他们取得了突破性的升级效果。在组件环节,过去的几年里,半片和双面技术基本上已经得到了行业的充分认可,准确来讲,这两种方案对于组件端而言主要都是从材料角度或者从基础结构角度进行的改进。

由此,我们可以发现,一种具备大规模推广潜力的技术,必然是在基础结构和金属化互联结构两个方面通过对常规工艺进行了系统而彻底的改变,解决了重大的成本、效率方面的主要问题。在电池端,金刚线技术和PERC技术已经完成了电池端技术的系统化升级,我们也可以大胆预测,在尚未定论的N型电池方面,TOPCON技术很可能成为未来发展的主流标配技术。同时,在组件端,半片和双面双玻方案实际上实现了在对基础结构的大幅改进,并将继续推广普及下去;同样地,我们也可以大胆推测,在组件端的金属化互联领域,虽然目前尚未有清晰的表现,但未来也必然会诞生一种新的主流技术出来。

接下来,我们继续延用上面的思路对当前的组件技术进行下详细的分析:

反光贴膜和轧花焊带,都是完全在现有常规工艺的基础上对常规设备做简单的改进和功能补充,最多只能算是一种次级的材料改进,就像当年电池环节的两次印刷、以及一系列的浆料改进,这种小改进,短期内有点效果,但是并未从设备和材料上进行更深层次和更高等级的系统升级,一旦遇到成熟的革命性技术出来,自然会退出舞台;

除此以外,当前比较火热的MBB圆焊带技术(包括梅耶博格的SMARTWIRE技术)、SWMI三角焊带技术、叠片技术,可以真正地称得上是一种综合性的技术升级和改进。下面就这三种技术,我们更详细地进行探讨。

MBB圆焊带技术,其核心原理和优势主要体现在多主栅方案对电池片效率的提升以及浆料节省这两个方面。该技术较早的比较大规模的宣传和市场化推广始见于SCHIMID,其实最早的是来自于加拿大的Day4Energy这家公司,后来被SCHIMID收购后,推出了改良型的涂锡焊接工艺,早在2013年前后就有相关机器和产品参加国内外展会。后来在2016年前后,国内诸多厂商开始模仿开发该技术机器,并在2017年底出现了一波应用热潮。

MBB圆焊带技术,在机器设计时更多地兼融和借鉴了常规串焊机的机构和原理,可以兼融从4-20栅的电池结构。其实,本质上,MBB圆焊带技术要以看作是在多主栅的传统概念下对常规工艺的自然升级。在多主栅概念下,随着扁焊带宽度的持续降低,扁焊带最终会变成截面为正方形的焊带,但是常规的串焊机又不能对这么多正方形焊带进行定位和定向,所以最终必然走向了圆形焊带,因为圆焊带不存在定向的问题,无论怎么扭转还是圆形的,而且圆形焊带也比正方形焊带更容易量产;但是为了解决这么多圆焊带定位对准及焊接牢固的问题,MBB设备也确实进行了一定的相应的改进,但这些都不能称得上是系统性的改变和升级。实际情况也确实如此,正因为这样,MBB机器才能对常规四栅、五栅工艺有如此好的兼容。另外,从技术对电池基础结构和金属化结构的影响来看,圆焊带的正面入射光的利用率远不如三角焊带和叠片技术彻底有效;另外在金属结构方面,圆形焊带与电池片的接触面积过小,同样远不如三角形焊带的接触性能,严重影响了导电性能的发挥。所以说,MBB圆焊带技术从影响电池性能的基础结构和金属化结构两个方面都有致命的缺陷,也就决定了其只能成为一处过渡阶段的中间改良技术。实际上,MBB圆焊带技术的功率提升在三种技术中也是最低的,客户端反映功率提升在5-10瓦左右。

梅耶博格的SMARTWIRE技术,是继SCHIMD之后,最早在2013年前后开始推广,也是采用圆形焊带,与SCHIMID方案不同的是采用低温焊接方案,焊带表面的超低温焊接涂层可以在层压温度下同时实现焊接。但是由于成本、功率提升等原因一直没有获得大规模应用,此技术的其他金属化性能与常规的MBB圆焊带方案几无区别,金属化结构方面的改进有明显缺陷,目前应用范围也都局限在像HIT这种不能采用高温焊接的产品领域。

叠片技术,也是自去年以来行业内比较热捧的技术之一,表面上看起来,也是一种改变比较彻底的技术,但是,实际情况是怎样的呢?下面我们也沿用上面思路进行系统的分析。

从概念来看,叠片技术,为了确保细栅线上电阻损耗不致于过大、保持电流和电压与常规版型组件的基本一致,基本采用5切和6切两种方式,其中5切主要用于横版组件、6切主要用于竖版组件,利用导电胶进行互联,取消了常规的铜基镀锡扁焊带的互联方式及其造成的遮挡损失和相应的成本,只保留了两端汇流带的应用,更加美观,同时,这种美观性,也确实让人从直观上认为其功率会有很大提升。诚然,叠片技术一直以来所宣称的最大优点也正是在功率提升方面。实际上真的如此吗?

叠片组件一直宣称其功率可以提高10%,即30瓦左右。主要理由是在同样组件面积(实际上需要加大玻璃)下可以多塞10%的电池片,即多塞6-8张电池片(相对60片版型的,72版型的要多塞将近10张电池)。但是,客观来分析,虽然确实多塞了那么多电池,但是交叠区域是要损失掉的,按实际可量产的1mm-1.5mm的交叠宽度,每块组件仅交叠区域面积就相当于了2.1-3.1片(按多塞6片)电池片的面积,即使交叠宽度进一步降低至0.6mm,也要损失全部多塞电池的20%。另外,对于单晶电池片,由于圆弧倒角的存在,倒角片是要另外做成组件的,倒角片要占到总共电池面积的20%-30%,由于倒角片做成的叠片组件功率基本上是没有提升的,也还要再打折。综合来看,叠瓦技术带来的功率提升可以参照下面公式:P*N*0.8*0.8(P是单张电池的功率、N是多塞电池数量、0.8是交叠区域比例、0.8是倒角片比例),所以,理想情况下,对于66片版型叠片组件实际综合功率提升为17-20瓦。

另外,换个角度来看下,从本文上面所总结的结构和要素的角度,具体来讲,从技术要素对组件的基础结构和金属化结构(互联结构)的影响来看。

首先从对基础结构的影响来看,叠片技术对电池片本身的效率提高没有贡献,功率提升主要来自于增加电池用量。

再从对组件的金属化互联的角度来看,导电胶这种材料的最大特点在于导电胶体本身的柔软可塑性,在叠片及固化过程中可以有效地吸收非均衡压力和冲击,有效减少工艺过程的碎片,但是这个优点并没有带来金属化本身性能的提升,这只是说明了工艺过程的可行性,但是作为一个好的金属化技术最主要的最终还是要带来金属化性能的提升。另外,再进一步分析,导电胶是叠片技术引入的最主要的新材料,但是,导电胶的导电性能比一般纯金属导体材料低两至三个数量级,也就是说虽然每个交叠区域只用了50微米厚的导电胶,但是其电阻损耗却相当于5mm厚的纯铜导体的电阻损耗了!这就是为什么叠片组件的填充因子并不高的原因;所以从金属化互联角度来看,叠片技术的性能表现也只能算是很一般,甚至还要低于常规的扁带互联方案。

综上,叠片技术是无法在组件的基础结构还是金属化互联结构这两个核心结构方面带来的质的提升的,那么它孜孜追求的究竟是什么呢?就是为了多塞电池!没错,这个策略就是用数量来弥补质量的缺陷,并且要不断降低交叠区域宽度(同时加大玻璃版型),这也是叠瓦技术的关键指标之一。

如果说MBB圆焊带技术为了实现对常规技术的兼容而牺牲了很多结构要素方面的性能算是一种妥协的话,叠片技术的这种策略甚至不能算是一种妥协,更像是一种无奈之举。实际上,除了功率提升远没有宣称的那么高之外,叠片技术投资大、产能小、工艺良品率问题、可靠性问题、专利问题等,也都是制约其推广的绕不开的问题。

杭州瞩日能源科技有限公司的三角形焊带技术始于今年5月份正式公开宣传介绍,最大特点是在电池片正面利用横截面为三角形的镀锡铜基互联带替代常规的扁焊带,同时为了解决三角形焊带的处理、定位对准及定向问题,开发了一种完全不同于常规串焊机的全新的串焊设备,确实是一种改变得比较彻底的技术,刚一推出,令人耳目一新,基本上颠覆了大家对互联焊带的认识。

从功率提升上来看,三角形焊带技术相比常规的60片全片型标准组件,在不增加电池用量的情况下,功率提升可以达到17-20W,其功率提升主要表现在电流的提升和填充因子的提升两个方面。从功率提升角度来看,在相同组件尺寸下,三角形焊带技术是目前提升最高的技术,功率提升远高于MBB圆焊带技术,成本远低于叠片技术,花MBB的钱提升叠瓦的功率。

接下来,我们仍然从该技术对组件基础结构和金属化互联结构两个核心结构的影响角度来进行详细的分析,以便评估其未来的发展趋势。

首先从组件基础结构角度来看,三角形焊带对基础结构体的影响,主要是利用其优秀的反光性能,大幅提高了电池片对入射光的利用率,对主栅线遮挡部分的入射光利用率达到了80%左右,远远高于MBB圆形焊带对光的利用率,而且不像圆形焊带那样还要借助于玻璃的全反射效应,减少了光线在传输过程中的损失。同时相比叠片技术,虽然取消了扁焊带,但是交叠区域的遮挡仍然造成了与常规扁带串联工艺相同比例的电流损失。从这个角度来看,三角形焊带互联技术是最优秀的,并且基本上将电池片表面可以被利用的入射光利用到了极致。

再从金属化互联结构角度来看下。三角形焊带在焊接时与电池片的接触面积远远大于圆焊带,这就是为什么虽然三角形焊带的截面积与圆焊带的截面积一样,但是三角形焊带技术只用了7根就达到比圆形焊带12根或9根的填充因子还要高将近1个点的绝对值的效果;论导电性,导电胶与纯金属更是没得比的,所以,这个角度而言,三角形焊带技术具有绝对优势的。

可见,三角形互联技术无论从对电池基体结构的优化还是从金属化互联结构的优化两个方面来看,都具有明显的绝对优势,同时,由于机器的彻底性改变,该技术并没有牺牲任何功率方面的性能,基本上把金属化互联技术包含的各个方面挖掘到了极致,把提升功率的重点都放在了最主要的影响因素上:电流和填充因子上。

另外,从设备投资、工艺稳定性、材料可靠性及专利风险上来讲,三角形焊带技术都比叠片技术好很多。

前面,我们从不同的角度对各种组件技术进行了分析,最后我们再做个简单总结:

从组件基础结构角度来看,半片及双面电池无疑会成为未来的主流趋势,并获得大范围推广;从金属化结构(互联技术)角度来看,三角形焊带技术无疑具有最大的潜力;从增加电池用量来看,叠片技术目前暂时比较有优势,但是在同样电池片用量下,三角焊带技术还是更具优势。

其实,无论在电池环节还是组件环节,金属化和互联技术之所以能够决定产品的最终性能,主要还是得益于其与产品性能的直接相关性。绕开这个决定性关系,最终都是舍本逐末;对这个强关系的任何妥协和折中,也都是对产品核心性能的折中。

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