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晶硅組件新篇章—鑄錠單晶技術
發外于:2019-05-31 08:52:22
來源:保利協鑫能源

鑄錠單晶(cast-mono wafer),是指采用多晶鑄錠爐,在常規多晶鑄錠工藝的基礎上加入單晶籽晶,定向凝固后形成方型硅錠,并通過開方、切片等環節,最終制成單晶的硅片。基于該技術路線,保利協鑫目前已順利推出第三代產品“鑫單晶G3”(GCL cast-mono G3 wafer)。

鑄錠單晶并非新興技術。早在2011年,保利協鑫就已經開始該類產品的研發。除協鑫的第一代、第二代鑄錠單晶產品除外,賽維LDK、晶澳、昱輝、鳳凰光伏等集團都陸續推出過類似產品。在市場上,這類產品被稱之為準單晶(quasi-mono wafer)或類單晶(mono-like wafer)硅片。第一代鑄錠單晶硅片曾在2011年至2012風行一時,由于出色的性能外現,在市場上供不應求,售價甚至一度超過了直拉單晶。

自2012年之后,基于小晶粒技術方向的高效多晶取得了突破并大規模量產應用,很快占據了光伏硅片市場的主流地位。2016年之后,金剛線切片的升級改造、PERC電池逐漸代替全鋁背場電池等技術得到廣泛應用,加之“領跑者”計劃的推波助瀾,單晶硅片市占率逐步從低谷崛起。

時至今日,保利協鑫七年磨一劍,第三代鑄錠單晶硅片橫空出世,以多晶的低本錢、單晶的高效率,再次受到業界廣泛關注。第三代產品較之傳統鑄錠單晶產品,消滅了以往鑄錠生產中容易產生的二類片及曾占制品高比例的三類片,有效解決了客戶使用硅片時必須搭配使用、照單全收的苦惱和尷尬,“鑫單晶G3”無論是外觀還是內涵的位錯密度,都無限接近直拉單晶硅片,為日趨多元化的光伏材料市場提供了一個極具競爭力的高效產品。

從晶體學上講,區別單晶和多晶的關鍵在于晶體結構是否無限接近完美。以晶格結構完整著稱的直拉單晶也不是無限完美的,它內部仍然存在103/平方厘米右的位錯密度。整體而言,直拉單晶與多晶最大的不同在于,由于晶格結構較為完美,直拉單晶可以被以為是一個巨大的晶粒,而多晶是由多數個不同晶向的均勻小晶粒構成,位錯密度較之直拉單晶要高2個數量級左右。

鑄錠單晶——“鑫單晶G3”,其位錯密度上更接近于直拉單晶,晶胞個數降到個位數。鑄錠單晶硅片采用與直拉單晶相同的堿制絨,制絨后外面微觀結構與直拉單晶一樣,同樣為規整的金字塔結構。盡管鑄錠單晶硅片不到1%的面積里,偶爾會出現個別不同晶向的晶胞,但是整個大方錠產出的鑄錠單晶硅片中,出現這一現象的硅片占總產品的比例,也不過幾個百分點。“鑫單晶G3”就其硅片品質而言,已與直拉單晶無異,而鑄錠單晶技術本質上是“物美價廉”的鑄造技術進一步升級,是多晶硅片從大晶粒再到小晶粒的方向轉換,也印證了事物的發展是螺旋式上升波浪式前進的辯證規律。

僅憑肉眼觀察鑄錠單晶硅片,與直拉單晶硅片幾無區別(圖1),只可從是否存在四個圓弧型倒角來判斷。另外,鑄錠單晶硅片還可采用亞微米級金屬催化濕法制絨,俗稱黑硅制絨,例如業內tier one 的阿特斯陽光電力,就采用了其獨特的黑硅制絨法,硅片外面呈現倒金字塔的微觀結構,在電池外觀更加美觀的同時,更可以獲得與直拉單晶堿制絨不相上下的組件功率輸出。

“鑫單晶G3”產品具有以下幾個明顯的特點和優勢:

一、生產本錢低,轉換效率高。

正如中邦科學院院士、浙江大學材料科學與工程學院教授楊德仁所言,“鑄造單晶將鑄造技術的低本錢、低能耗、大尺寸優勢和單晶的高效率、高質量優勢結合到了一起”。

“鑫單晶G3”在實際生產中,從單爐裝料量、晶體生長速度到制品率,從單位電耗到坩堝等耗材本錢,乃至其自動化生產的便捷程度上,都比單晶制造的直拉法更有優勢。此外,生產能耗較低帶來了更高的碳足跡分值,這在注重產品生產過程碳足跡的法邦等海外市場,能夠獲得更多客戶青睞。

在本錢與鑄造多晶幾乎一樣低的同時,“鑫單晶G3”的電池效率擁有大幅提升。“鑫單晶G3”在多家客戶大批量應用結果顯示,使用目前主流的PERC電池工藝,“鑫單晶G3”與直拉單晶電池的轉換效率絕對值差值,相差不到0.3%(圖2)。相較158.7mm尺寸的單晶全方片與同尺寸鑄錠單晶硅片制造的72片組件,其功率輸出相差不到5瓦(圖3)。在目前電站投資的本錢模型中,采用72片385瓦的直拉單晶組件,與采用72片380瓦的“鑫單晶G3”組件,由于這5瓦功率差帶來的BOS本錢節省,與“鑫單晶G3”的應用優勢相比,幾乎可以忽略不計。作為一種新型產品,鑫單晶PERC電池的效率進一步提升仍有較大空間,在進一步優化電阻率均值提高電池效率之后,完全可以做到與直拉單晶相同的組件功率輸出。

鑫單晶G3 PERC電池效率分布

 158.75mm基于鑫單晶G3與同尺寸直拉單晶全方片的72整片PERC組件功率對比

二、尺寸靈活,方寸之間“經濟適用”

“鑫單晶G3”從凝固之初即為大面積正方體,而直拉單晶拉制的是固定圓棒,須由圓棒開方成為長方體的硅錠。從方到方,比從圓到方更經濟,鑄錠單晶生產過程中切除余料的比例更低;同時鑄錠單晶尺寸也更為靈活,一個大方錠變動開放尺寸,無論157、158還是166的尺寸,都輕而易舉。與此同時,無論硅片巨細,都是全方片,不必糾結于大倒角還是小倒角。相反對于單晶而言,小倒角意味著圓轉方的得率低、硅片本錢高,而大倒角,必然會在光伏組件上產生更多的留白,降低的組件效率。靈活尺寸才更加“經濟適用”,這一優勢使得“鑫單晶G3”更能滿足客戶的定制化尺寸需求。

三、分布更集中的電阻率分布,高適配PERC電池生產工藝。

晶硅產品的電阻率,與摻雜劑的濃度以及摻雜劑在硅中的分凝系數相關,而分凝系數是固定的物理數值。同樣摻雜濃度下,電阻率的分布與硅棒長度呈正相關,即硅棒長度越長、電阻率分布越寬。直拉單晶硅棒屬于瘦長型選手,長度通常高達3米甚至4米;而鑄錠單晶屬于矮胖型選手,高度通常不會超過半米。即使是在常規的P型摻雜硼的分凝系數已經為0.8甚至接近于1的情況下,單晶硅片電阻率的頭尾分布仍然比較寬,硅片的最大電阻率一般是最小電阻率的2-3倍。與之不同,鑄錠單晶硅錠由于凝固的高度較短,其電阻率分布最大與最小的差距不超過1.5倍(圖4)。而PERC電池工藝對硅片的電阻率較為敏感,更窄的電阻率分布有利于電池制程的控制。若直拉單晶制造廠商為了進一步降低電池衰減,采用鎵作為摻雜劑代替硼摻雜劑,由于鎵的分凝系數僅為硼的百分之一,這必將造成摻鎵單晶硅棒的電阻率進一步分散。另外,鎵摻雜的直拉單晶專利目前尚未到期,而鎵摻雜的鑄錠單晶卻沒有此類知識產權風險。

鑫單晶G3 與直拉單晶硅片電阻率分布對比

四、電阻率分布與直拉單晶硅片相比氧含量更低,具有更佳LID及LeTID外現。

目前絕大多數P型單晶或多晶皆采用硼摻雜,由于硼氧四面體會帶來電池的光致衰減(LID),在同樣電阻率、同樣硼摻雜濃度的前提下,硅片中的間隙氧雜質含量就會成為影響電池衰減的重要因素。對比鑄錠單晶和直拉單晶的制造過程,單晶提拉旋轉的過程中硅液不斷與以二氧化硅為原料的石英坩堝發生旋轉沖洗,而鑄錠過程相對而言更像一個“安靜的美男子”。目前單晶硅棒可以做到的平均氧含量先進水平為11-12ppma,而鑄錠單晶只有該數值的一半左右(圖5)。這意味著鑄錠單晶電池的光衰一定優于直拉單晶電池。而對于LeTID,即高溫光致衰減這一近年來在PERC電池中發現的獨特現象,目前尚無明確的機理,公以為單晶、多晶都存在這一問題,其檢測標準目前也尚未統一。根據多數使用協鑫“鑫單晶G3”生產PERC電池的廠商反饋,鑄錠單晶的LeTID外現也較為出色(圖6)。同時LeTID的控制與電池工藝本身也高度相關,例如阿特斯陽光電力就有其獨特的控制高溫衰減的方法,可以將鑄錠單晶電池的LeTID控制在1%以內的水平。

 鑫單晶與直拉單晶硅片平均氧含量對比

 鑫單晶與直拉單晶PERC電池的LeTID外現對比

五、完美適配多種電池組件技術。

PERC、MBB、雙面、MWT、半片、疊瓦、拼片……無論是什么樣的電池組件技術,“鑫單晶G3”都能完美適配。由于鑄錠單晶硅片為全方片,可采用堿制絨或黑硅制絨,對PERC電池、MWT電池都顯示出良好的適用性,MWT電池更能發揮“鑫單晶G3”硅片全方片的優勢、進一步提高組件效率;因為沒有倒角,“鑫單晶G3”不僅完全兼容MBB、半片、疊瓦、拼片等技術,外觀上也更為美觀。

無論直拉單晶、多晶還是鑄錠單晶,對于電站投資商及終端用戶而言,選擇的根本依據最終都會歸結為:誰的性價比更高。即考量最終產品的投資本錢及平準化發電本錢(LCOE)。若基于邦內某一類地區大型地面電站為典型場景為投資模型進行測算,并采用如下測算邊界條件:

1.運維用度:0.03元/W,每年以3%的速度增長;

2.土地租金:800元/畝;

3.折現率:5%;

4.不含融資本錢、耕地占用稅、植被恢復、清掃機器人、水保環保等相關用度;

5.組件的衰減率:單晶PERC首年3%,次年0.6%;“鑫單晶G3”PERC首年衰減率2.5%;次年0.6%。

則測算出的的大致結果如下外:

從測算結果可以看出,單價1.89元/Wp 的72片380瓦“鑫單晶G3”PERC組件與單價1.96元的72片385瓦直拉單晶組件相比,無論靜態投資本錢還是度電本錢,鑫單晶組件都具有明顯優勢。而保持這一組件單價的差價,在目前“鑫單晶G3”的本錢優勢及售價定位的情況下,都可以輕而易舉的實現。

展望未來,隨著鑄錠單晶技術的進一步提升、原料利用率的進一步提高,其制造本錢仍有較大的降低空間。目前,保利協鑫“鑫單晶G3”硅片年產能可達8-10GW以上;由于鑄錠爐體的升級改造相對簡單,隨著158.75mm尺寸“鑫單晶G3”硅片在電池端應用的進一步放量,“鑫單晶G3”產能的進一步提升也易如反掌。

索比pc蛋蛋算法(jixizp.com)責任編輯:韓哲

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