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N型高效单晶硅片技术概况及展望

日期:2018-11-21    来源:光伏

国际太阳能光伏网

2018
11/21
18:51
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关键词: N型高效单晶 硅片 光伏 光伏原材料 硅料/硅片

 近日,由中国可再生能源学会、上海交通大学太阳能研究所、中山大学太阳能系统研究所和浙江大学硅材料国家重点实验室共同主办的2018第十四届中国太阳级硅及光伏发电研讨会(简称14th CSPV)在西安圆满落幕。小编也参加了此次会议,并对隆基股份公司的韩璐关于N型高效单晶硅片的会议报告印象深刻,因此特地将此篇报告内容分享给大家。

平价上网对高效电池的需求

1.1高效是降低“度电成本”最有效的途径

大家都知道,过去光伏行业呈现出了两个极端:一端是“高效+高成本”,代表企业是松下,Sunpower等;相反另一端则是以我们中国大陆多晶企业为代表的“低效+低成本”;现在我们追求的目标是“高效+低成本”的统一。我们使用高效的模组就可以大幅降低BOS成本,提高整体系统的经济性,所以说高效是降低“度电成本”的最有效途径,是平价上网对高效电池的需求和未来的发展方向。

1.2高效率:高效产能需求,N型潜力巨大

相比P型电池,N型具有无光衰、弱光效应好、温度系数低、高转化效率等优势,非常具有竞争力,也是晶硅太阳电池迈向理论最高效率的希望。我们通过ITRPV(International Technology Roadmap for Photovoltaic,光伏国际技术路线图)2018预测也可以看到:N型硅片的市占率在2020年将达到10%,在2028年将达28%,市场份额在不断提升。


 

但在现阶段,N型的量产也存在一定的阻碍因素:

一是因为N型硅片成本高,通过测算,N型要比普通P型产品高约8%,主要因为以下几个方面:1、N型单晶要使用更纯、品质更优的多晶硅料、2、使用高纯热场,一系列的辅材、配件都要更贵;3、复拉料无法使用;4、N型的降级片无法消耗。

今年5月前,我们也看到不少N型厂家发布了HIT等电池的扩产计划,但在531后,因P型产品价格崩盘,与N型组件价格拉开了更大的差距。同时,N型电池初期设备投资较大,使得N型扩产计划大多延迟或暂缓。

另一方面,P-PERC加上SE后,效率一再提升(目前已达22%),明年P型单晶组件主流将提升至310W,若N型电池片若无法做到23.5%甚至24%以上,将很难拉开瓦数差距,体现出优势。

2.N型高效电池对单晶硅材料要求

2.1不同电池结构转化效率与硅材料少子寿命、电阻率的关系

随着电池效率的不断提升,对硅材料也提出了更高的要求。

我们通过对不同电池结构转化效率与硅材料少子寿命、电阻率的关系,可以看出:1)转化效率越高的电池结构,如N型HIT、IBC,它对少子寿命会越敏感,要求也越高;2)另一方面,电阻率对部分电池结构影响也较大,通常来看电阻率越低,转化效率越高;但是,因为电阻率和少子寿命呈正相关,即压低电阻率后,少子寿命也会降低,我们就需要找到二者之间的平衡点,具体如何控制,需要与电池厂家充分交流和测试,从而找到这个平衡点。另外,P型还需要考虑LID的问题,N型这一点上不存在。

2.2 N型高效电池对单晶硅材料需求

通过这一幅图我们看到,晶体不同位置因为氧碳含量、寿命、电阻率等的差异,对电池效率影响不同。

3.高效单晶的挑战及解决措施

3.1单晶品质提升主要路径

首先,单晶品质提升主要路径有以下4个方面:

降低氧含量:因为氧含量是一个很重要的影响因素,会引发电池端很多不良问题。内部拉单晶师傅间也流传着一句名言:“万恶氧为首”,可以看出氧的危害是巨大的。因此通过降低氧含量能够有效减少同心圆、氧施主、黑芯、低效等出现的几率,针对P型,还可以降低光衰。

降低碳含量:碳含量高会促进氧的聚合和沉淀;

减少缺陷:晶体中的缺陷亦会形成复合中心,导致寿命降低,从而影响电池效率;

降低金属含量:金属大多都是深能级杂质,所以拉晶过程中要实现高纯管控,减少金属污染,能够有效提高晶体寿命。

3.2聚焦关键品质问题---提升高纯,减少金属污染

3.3聚焦关键品质问题---降氧解决方案

氧是从哪里来的?通过分析,我们知道了,氧主要来源于坩埚的溶解:高温下,二氧化硅会发生溶解,形成硅和氧原子,氧原子通过热对流、强迫对流,扩散到硅熔体中,在界面上99%的氧会以一氧化硅的形式挥发掉,剩余一部分会进入单晶硅中。

了解了氧是如何引入的,那么现在来看降氧路径,主要分以下三步走:

源头上:考虑如何减少氧溶解?使用坩埚壁要更光滑,比表面积小,氧含量相对少;

过程中:优化晶/埚转等工艺参数,改变熔体对流形式;

挥发掉:优化热场设计,提升气流顺畅性,尽快让一氧化硅挥发出去。

3.4聚焦关键品质问题---薄片化

对单晶组件成本结构做了分析,可以看到即使目前的硅料价格已经很低了,但硅料在整个成本中的占比仍非常可观(近20%),故推动薄片化,是降本的有效途径。隆基研发最薄可以做到110厚度,N型量产最薄厚度130(125小边距)、M2尺寸最薄150,P型量产最薄160,150也有少量测试。

3.5 聚焦关键品质问题---细线化

细线化目的是降低切缝损失(kerf loss),从而可以节省硅料。另外,细线上的金刚石颗粒原则上也会变小,硅片表面的损伤层厚度理论上也应该变小(这个需要将来进一步证实),会对提升硅片外观品质(线痕等)有帮助。目前隆基量产最细线径已降至60线,更细的线径如55线、50线也在进一步的开发中。

4.未来光伏N型高效单晶硅的发展趋势

4.1低氧N型单晶

前面介绍了氧含量高的危害,因此对“低氧产品“的持续研发和推广是我们的重点工作之一。目前我们量产平均水平14-15ppma,改进的工艺可做到11-12ppma,研发超低氧工艺最低可以做到4-5ppma。隆基从2014-2018,研发做了很多工作,氧含量降低30%,目前隆基还在摸索降氧的极限。同时,如果氧含量过低,会对机械性能产生影响,对薄片化是否会是一种阻碍?这里需要进一步验证及思考。

4.2 高寿命N型单晶

第二大重点工作是“提升少子寿命“:传统工艺头部受到氧施主的影响,呈现“低头“形貌,新工艺可以去除这部分的影响,而且整棒的寿命也有所提升。

4.3大尺寸: 标准化

隆基曾在13年底联合几家大的硅片厂,一起推出了M1、M2标准规格,为行业创造了很大的价值。但近期订单的尺寸可以说百花齐放,比如157.35(中来)、157.75(晋能)、158.75(晶科)、全方(157.25、乐叶)等,一些客户面对的小众市场,急需拉高瓦数与性价比维持产品竞争力,已调整至M4尺寸,在这种情况下也使得一时间行业内没有标准尺寸可言,很多客户也在观望下一步的动向。

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