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为何光伏行业技术路线不断迭代?

日期:2022-07-11    来源:全球光伏

国际太阳能光伏网

2022
07/11
09:36
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关键词: 度电成本 光伏技术 N型电池技术

(1)降低LCOE、电池片盈利规律驱动行业追求降本增效

度电成本(LCOE)下降是光伏产业发展的关键推力。我国光伏行业发展早期以出口为主,内需较少;随着技术进步,度电成本持续下降,政府通过补贴等政策启动国内市场,带动全产业链发展;全产业链发展加速了行业降本增效,成本下降至一定水平后,政府实施退补促进行业通过市场化机制实现平价上网。在这一过程中,LCOE始终是关键指标。

2011年之前,受到技术、规模等限制,我国光伏发电成本高昂,经济性相对火电无竞争力,电站运营商的装机意愿低,光伏电池以出口为主,2010年,我国的光伏电池产量约占全球总产量的50%,出口比例高达95%。

随着电池的光电转换效率持续提高,度电价格由2009年的1.7元下降至2011年的1.2元,我国通过制定标杆上网电价,快速启动国内光伏市场,光伏发展进入过渡期。同时政府出台补贴政策,对于光伏电站标杆上网电价高出当地燃煤机组标杆上网电价(含脱硫等环保电价)的部分,通过可再生能源发展基金予以补贴,使得光伏装机量快速增长,国内累计光伏装机量从2013年的17.45GW增至174.46GW,CAGR达到58.48%。

需求快速扩大促使行业技术进步速度和成本下降速度均超出预期,光伏发电标杆电价下降速度加快,2018年发改委出台“531”新政,意味着光伏行业进入全面退补的平价时期。当前光伏的综合电力成本依然高于火电(考虑调峰),尤其是在用电需求高的东部地区,行业降本增效依然是主旋律,且LCOE下降能够增强电站运营商的盈利能力,经济性是其装机的核心动力。

电池片的盈利规律促使厂商不断探索更高效的技术以获得高溢价。电池片的生产相对流程化,企业间产品的差异较小,技术壁垒主要在于设备端。因此,行业存在明显的后发优势,后来者可以在技术路径确定后购买设备快速进入行业。先进入者的盈利便呈现脉冲化,在新技术的规模化阶段享有高溢价,但很快就因有更多进入者而下降,如通威股份的单晶硅电池毛利率在PERC量产初期逐渐上升,但在大规模放量的2020年和2021年大幅下滑。这一规律促使厂商通过生产更高效的电池片提价、降低生产成本等方式,保持一定盈利水平,且当电池片价格呈现下降趋势时,技术迭代速度会更快。

(2)硅片和设备是降本主要方式,N型电池是增效必经之路

降本主要体现为硅片的大尺寸、薄片化以降低硅成本,设备及耗材的国产化以降低非硅成本。

大尺寸:新一代技术路线尚不明确时,企业不约而同地选择通过增加硅片尺寸增大组件接触太阳面积、获得更高的发电效率,从而降低度电成本。据山东电力工程咨询院有限公司测算,相比166硅片,210硅片的支架成本减少了25%,核算到度电成本上,最多可以降低0.1元/w。此外,210硅片的组件在土地占用面积、桩根数上都有一定的优势。2021年,158.75mm和166mm尺寸占比合计达到50%;166mm是现有电池产线可升级的最大尺寸方案,因此将是近2年的过渡尺寸;182mm和210mm尺寸合计占比由2020年的4.5%迅速增长至45%,未来将继续扩大。

薄片化:2021年硅片、电池片的扩产产能逐步落地,而硅料环节扩产速度较慢,导致硅料供不应求,价格不断上涨,11月涨至高点272元/千克后高位震荡。部分厂商通过减薄硅片厚度,缓解成本压力,推动了硅片的薄片化进程,如隆基报价的单晶硅片厚度下降速度自2020年以来明显加快,目前已降至160μm。硅片的薄片化与N型电池的市场化是相辅相成的,PERC的硅片厚度在160~175μm之间,若进一步减薄,铝背场的应力将导致硅片发生隐裂;TOPCon目前的主流厚度为150~155μm,HJT的实验室批量在110~120μm之间,极个别的厂家能做到90μm左右。总结来说,TOPCon和HJT等N型电池更适合薄片硅片,分别能够节省约20μm、60μm的厚度。且N型电池成本较高,薄片化有利于其降低成本、提高经济性。

设备、耗材国产化:PERC、TOPCon、HJT等电池在发展早期,关键生产设备都由海外厂商垄断,产线投资额相当高。随着国产厂商取得突破、逐步具备整线供应能力,当前海外企业已经基本退出我国市场,设备投资额下降速度不断超预期,带来LCOE的下降。耗材方面,N型电池相较P型电池的耗材增量主要是银浆,由于N型电池的背光面亦需要通过银浆来实现如P型电池正面的电极结构,且N型电池的正面发射极需要使用更多银浆,才能实现量产可接受的导电性能,因此,N型电池对银浆的需求量高于P型电池。P型电池的正银国产化率近年来显著提升,2020年为50%,预计2021年达到55%,但N型电池所需的银浆技术门槛更高、国产化率低,约20%左右,海外的日本京都电子能够提供成熟N型银浆,此外贺利氏、LG、Namics、杜邦也有比较成熟的产品。因此在不改变效率的同时降低银浆耗量、提高国产化率成为降本的另一关键方向。

提效主要体现为技术路径的切换。当前P型电池逐步逼近理论效率极限,N型将成为下一代主流技术。P型电池主要包括BSF和PERC,原材料为掺杂硼元素的P型硅片;N型电池主要包括PERT、TOPCon、HJT、IBC等,原材料为掺杂磷元素的N型硅片。得益于单晶硅片的大规模推广,设备国产化率快速提升等,PERC电池技术自2017年起得以迅速推广和应用,成为目前主流组件厂家普遍使用的电池技术。然而PERC产线的量产效率已经达到23%+,逼近24.5%的理论极限效率,未来提升空间有限,且提升难度极大,成本下降也速度也有所放缓。与此同时,N型电池片技术正在快速发展,相对P型电池,N型电池的少子寿命高,无光致衰减,弱光效应好,温度系数小,能够达到更高效率。因此,N型电池有望接替P型电池,成为下一代主流技术。其中,又以TOPCon和HJT为目前的关注焦点。

TOPCon电池:TOPCon电池的正面与PERC电池没有本质区别,核心技术是背面的隧穿氧化层钝化接触技术(Tunnel Oxide Passivated Contact,TOPCon),制备流程大致为:在PERC电池制备工艺的基础上,在电池背面制备一层超薄隧穿氧化硅,然后再沉积一层掺杂硅薄层,二者共同形成钝化接触结构。

HJT电池:HJT电池与其他电池差异较大,常规太阳能电池的P-N结是由导电类型相反的同一种材料(即晶体硅)组成的,属于同质结电池,而HJT电池的P-N结是由两种不同的半导体材料(即晶体硅和非晶硅)组成的,因此也被称为异质结电池(heterojunction,HJT)。HJT的制备流程大致为:N型单晶硅片经过清洗制绒后,在正面依次沉积本征非晶硅薄膜和P型薄膜形成P-N结,在背面依次沉积本征非晶硅薄膜和N型薄膜形成背表面场,然后在两侧沉积透明导电薄膜(TCO),最后通过丝网印刷技术形成双面电极,构成具有对称结构的HJT电池。

整体来说,TOPCon与HJT实现效率提升的方式都是通过钝化,降低多数载流子和少数载流子的表面复合速率,不同的是TOPCon通过隧穿氧化层实现,HJT通过沉积非晶硅薄膜实现,方式的差异导致了各自工艺的差别,从而导致两者商业化成本的差值。

N型组件效率更高,能够摊薄初始投资和运营费用,进而降低LCOE。LCOE包括初始投资和运营费用,其中初始投资由组件成本、系统(BOS)成本、开发成本组成,运营费用主要指土地租赁费用和运维成本。高功率、效率的组件在全生命周期内能够实现更高的发电量输出,摊薄BOS成本及运营费用,有效降低LCOE。以晶科的182-N型-605W组件和210-P型-660W组件为例,前者由于尺寸优势,所需的支架数目、线缆成本和租赁费用均有下降,使得BOS成本下降近1.18%,而在全年发电量上高于后者约12096MWh。


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