高效异质结太阳能电池产业化观察.docx
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高效异质结太阳能电池产业化观察
高效异质结太阳能电池产业化观察
1异质结电池的技术前景及产业政策
1.1技术前景
从最新的市占率预测来看,异质结(简称HIT,SHJ,SJT等)电池在10年内都将是小众市场,预计5年内市占率在5%-7%之间。
按照2016年72GW(中国53GW)的全球出货量和15%的平均增长率,5年后的2022年将达到144GW(中国106GW)的年全球出货量,其中HIT技术产品占7-10GW(中国5-7GW)。
图1.晶硅电池技术市占率预测
目前国际和国内布局HIT电池技术的厂商及其产能情况如下:
生产商
电池效率
产能
产业规划
松下
22.50%
1GW
因日本产业链不完善,成本居高不下。
上澎
21.80%
40MW
国内运营最长的1条量产线,计划扩产至120MW。
新日光
22.00%
50MW
2017年底扩张到50MW,目标23%效率。
新奥
21.60%
80MW
产能陆续扩张中,计划到400MW
赛昂
21.50%
30MW
被Solarcity收购,在美国有1GW电池规划。
国电
21.50%
80MW
被中环收购,有1GW扩产计划。
钧石
22.50%
100MW
总产能规划600MW,目前一期调试中。
中智
22.00%
200MW
规划1.2GW产能,目前2条线轮调中。
晋能
---
100MW
规划2GW产能,设备采购中。
汉能
---
60MW
规划600MW产能。
表1.HIT电池主要厂商及其产能情况统计
按照上表给出的产能计算,未来5年内全球HIT电池产能将达到8GW左右,其中大陆产能占绝对多数,约为7GW。
另外,国电投、亿晶光电、合金盛等公司也在计划上马HIT电池技术,实际产能可能会更大。
从以上分析来看,业内业已进入的HIT厂家几乎将全球HIT产品的市场瓜分殆尽。
新入者必须在着力产品研发的同时,努力挖掘HIT的应用市场。
鉴于HIT技术的成本较高,高昂的产品售价必将令市场开拓存在巨大的困难,其可能的市场领域包括:
美日欧等发达市场需求、中国超级领跑者项目、新能源汽车领域、其他高效产品应用领域。
1.2技术路线图
图2.2017年最新的晶硅电池效率路线图
从最新的电池效率路线图来看,HIT电池技术处于排名第二的高效晶硅技术,仅次于IBC技术。
但HIT电池的效率与P型PERC、N型PERT的效率差异没能显著拉开(高1%),鉴于P型PERC技术的规模化应用正在急速扩张之中,而HIT电池技术的产业配套尚有很多需要完善。
图3.2017年最新的晶硅组件功率路线图
虽然HIT电池有着低温工艺(不高于250度)的特点,但当前的红外焊接温度在180-220度范围,层压工艺最高也在200度左右,因此在理论上现有的组件技术工艺可直接进行HIT电池组件的生产。
当然,为了更好的体现HIT技术的先进性,尽可能挖掘HIT电池技术的优势,新的低温组件封装工艺也需要进行专门的开发工作。
HIT电池的独特优点包括以下几个方面:
(1)无PID现象
由于电池上表面为TCO,电荷不会在电池表面的TCO上产生极化现象,无PID现象。
实测数据也证实了这一点。
(2)低制程温度
HIT电池所有制程的加工温度均低于250℃,避免了生产效率低而成本高的高温扩散制结的过程,而且低温工艺使得a-Si薄膜的光学带隙、沉积速率、吸收系数以及氢含量得到较精确的控制,也可避免因高温导致的热应力等不良影响。
(3)高效率
HIT电池的效率比P型单晶硅电池高1-2%,而且之间的差异在慢慢增大。
(4)高光照稳定性
在HIT太阳能电池中不会出现非晶硅太阳能电池中常见的S-W效应。
同时HIT电池采用的N型硅片,掺杂剂为磷,几乎无光致衰减现象。
(5)可向薄片化发展
HIT电池的制程温度低,上下表面结构对称,无机械应力产生,可以顺利实现薄型化;另外,对于少子寿命较高(SRV<100cm/s)的N型硅基衬底,片子越薄得到的开路电压越高。
(6)较低的温度系数
HIT电池的典型温度系数为-0.29%,远低于常规晶硅电池的-0.45%,这得益于典型的电池结构和很高的开路电压。
在电站应用端,低的温度系数可以得到更高的发电收益。
据中科院刘正新的研究:
同样大小的光伏系统,HIT电池组件在晴天和高温天的发电量明显优于现有的多晶电池组件。
2异质结电池量产工艺流程及技术重难点
2.1量产工艺流程
异质结电池以其工艺过程简洁而著名,下图为其电池工艺流程图:
图4.HIT电池工艺流程
该工艺与普通的BSF电池技术相比,少了扩散和蚀刻2个步骤;与当红的PERC工艺相比,少了4个步骤。
虽然工艺流程大大简化,但对工艺的要求却更为严苛,如洁净度、真空度、温度控制、镀膜质量等,比现有的电池技术要求都要高出一个量级。
2.2技术重难点
HIT电池技术的核心和难点如下图所示:
图5.HIT电池技术重点及难点解析图
即需要从非晶硅界面钝化、TCO光吸收损失、金属化电阻损耗三方面进行努力,对应的工艺流程为CVD、PVD、丝印三个步骤。
这个三大难点克服,不仅仅是工艺的问题,还涉及到设备和材料的配套和改进。
表2.松下(三洋)HIT电池效率
异质结电池技术的核心特点是高开路电压,这来自于构成其PN结的材料是不同种类的,理论上就比同质结电池的电压要高。
但其特殊的晶硅/非晶硅界面态钝化,对设备、工艺、环境、操作水平等要求非常高。
虽然HIT电池的实验室效率很高,但商业化量产的效率并不高:
图6.HIT电池的实验室效率与量产效率对比
3市场及其技术水平
以下是对全球各研究所的HIT电池的技术研发情况的汇总:
表3.全球HIT电池技术研发及量产水平
由此可见,在商业化和最高效率方面,日本的研究机构和企业有着巨大的优势。
这也是国内现有的HIT技术路线和产线设备主要都和日本有关的原因。
全球企业的HIT技术量产情况,可参看表1.
4产业配套情况
4.1生产设备
目前可以提供HIT电池关键设备的厂商列表如下:
设备厂商
设备类型
特点
购买厂家
Kaneka
CVD、PVD、整线
技术成熟
松下、中智
MeyerBurger
CVD、PVD、整线
出货不多
瑞士Eco
精曜科技
PECVD、RPD(PVD)
可协助客户建置完整产线
NSP、SolarCity、晋能
理想能源
CVD
实验室机型
尚德、正泰
VONARDENNE
PVD
未知
未知
以MeyerBurger(Roth&Rau)的HIT整线为例,详细介绍如下:
1)制绒清洗设备
2)CVD镀膜设备
3)PVD/Sputter设备
4)丝印电极设备
4.2原辅材料
HIT电池涉及的最主要的原辅材料为硅片和电极浆料。
硅片目前国内以隆基和中环为绝对主力,电池片厚度在165-175微米之间,比常规P型单晶硅片更薄。
而电极浆料主要以日本厂商为主,国际浆料巨头杜邦、贺利氏等均未有相关成熟的产品推出。
另外,三星电子已推出可用于HIT电池的量产浆料,其性能与日本厂商相媲美。
国内浆料厂商尚在努力开拓常规BSF的正银市场,暂时不具备技术实力进行HIT低温浆料的研发。
5总结
综合以上内容,HIT电池目前主要面临以下问题:
A:
成本问题:
A1:
设备成本:
100MW的HIT项目:
总投资月4.1亿,其中设备投资2.4亿
100MW的PERC项目,总投资月2.7亿,其中设备投资1亿
100MW的N型双面项目,总投资月2.5亿,其中设备投资0.75亿
A2:
辅材成本
HIT项目在ITO靶材和浆料方面比PERC项目多0.4-0.6RMB/W
A3硅片成本
目前市场上N型硅片比P型硅片贵10-15%左右
B:
效率问题
2017年HIT的实验室最高效率达到25.3%,P型PERC技术的实验室最高效率也到达了23.5%。
但在大规模量产中HIT电池的效率与P型PERC、N型PERT的效率差异没能显著拉开。
目前HIT量产的效率在22%左右,而PERC单晶量产效率也在21.3%左右。
HIT技术没有效率方面的优势。
C:
市场问题
目前高效电池在国内的市场份额有限,主要集中在美日欧等发达市场需求、中国超级领跑者项目、新能源汽车领域、其他高效产品应用领域。
解决思路和方法:
1:
设备国产化,主要在PECVDPVD/Sputter设备国产化,最终目标是100MW的设备在1亿RMB左右。
这个过程应该还需要2-3年
2:
薄片化,HIT及其他N型电池的一个重要特点就是可以采取较为薄的硅片。
在设备国产化需要较长时间的情况下,薄片工艺是目前较为有效的技术路线。
应该采取一定的技术措施,在现有设备条件下,使用120-140的N型硅片,降低材料成本。
总体来看,国内HIT电池技术的产业化配套还有待完善,需要有实力的设备厂商和浆料厂商介入,并与下游电池和组件厂商长期合作,才能像BSF电池技术一样,开发出高效低成本的异质结整体配套方案。
因此HIT电池技术目前不适合大规模开发投入,只适合做小规模研发,如一条100-300MW中试线。
后续如何投入,需待产业链相关配套完善后,再做评估。
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