【十张图带你读懂单晶硅片在光伏领域的应用现状与发展趋势】

  • 日期:09-08
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  过去几年,单晶设备更新迭代大幅降低长晶成本、金刚线的应用在单晶方面降成本更为明显等因素为单晶扩产带来机遇;未来,金刚线和投料量降本空间相对有限,但金刚线以及投料量变化对单晶成本降幅更为明显,有利于单晶的发展。

  另外,转化效率提升是未来降度电成本的主要途径之一,以PERC、异质结、N型为代表的电池技术进一步加大了单晶竞争的优势,新技术的应用会放大单晶对多晶的优势,单晶市占率有望进一步提升。

  早期多晶硅片得益于成本优势 占据主要市场份额

  从生产工艺来看,单多晶生产工艺差别主要体现在拉棒和铸锭环节,其中单晶硅棒工艺对设备、生产人员的要求严格,早期单晶硅片因长晶炉投料量、生长速率、拉棒速度等方面技术不够成熟,生产成本居高不下,而多晶硅锭使用铸锭技术成本优势明显而占据主要市场份额。

  

  长晶设备迭代 单晶炉投料量大幅提升

  单晶拉棒与多晶铸锭的成本主要由设备折旧费、人工费、水电费、辅料费、原料损耗等构成,单炉产出差异是单晶拉棒与多晶铸锭成本差异的主要原因之一。得益于连续直拉单晶技术(CCZ)的应用,单晶投料量大幅提升,中国光伏行业协会最新统计数据显示,2018年单晶炉单炉投料量为950kg,较2017年的530kg提升80%,较早期200-300kg投料量提升3-4倍,未来随着热场的增大以及连续拉棒技术的提升等催化因素,投料量将逐年增大,预计到2020年可达到1100kg;另外得益于机器的改进,单炉出棒数也由1根增加至3-5根。设备的改进降低单晶长晶成本,为单晶的发展带来机会。

  

  金刚线革命 加速单晶市场拓展

  金刚线切割全面普及,提高出片量,摊薄硅片生产成本。对比可发现,传统砂浆线存在切割损耗大、精度差、表面损伤多等缺陷,而金刚石切割线则具有切割速度快、硅片损耗小、出片量高等特点,替代优势明显。

  其主要优势可概括为:1)效率高:金刚线切割速度更快,单片硅片切割耗时约2小时,相当于原砂浆线耗时的1/5,每小时出片量提升约2-3倍。2)成本低:目前金刚线最小线径为0.06mm,而砂浆线则为0.12m,细线使得切割过程中硅片耗材损失更小,厚度也更均匀,每1kg准方锭的可产出硅片从48片提升到目前的60片左右,实现单次(单位方锭)出片量提高约30%。

  

  相比于多晶硅片,金刚线技术对单晶硅片出片量提升、成本下降作用更加明显。原因有三:单晶硅棒内部晶体序列排列整齐,更不容易因切割而产生线材损耗、硅片碎片,而多晶硅铸锭工艺使得其内部晶格序列不完全一致,切割难度大,出现碎片、断线的可能性也更大。目前来看,单晶硅片线材消耗量为0.9m/张,多晶则为2.1m/张;

  较之多晶,单晶切割时间更短,可达70分钟/刀,而多晶切割耗时为120分钟/刀,单晶单位时间出片量更多;

  金刚线切割多晶硅片使用常规制绒工艺后,反射率更高并有明显的线痕等外观缺陷,严重降低电池效率,需要通过黑硅技术+金刚石线切割两项技术解决硅片的绒面难题,单晶电池碱制绒本身在单晶片表面形成了利于光线的吸收的金字塔结构,可直接采用金刚线切割技术,进一步降低了单晶生产成本。

  

  平价上网政策倒逼单晶路线成本下降

  2019年1月9日,国家发改委、国家能源局发布《关于积极推进风电、光伏发电无补贴平价上网有关工作的通知》,提出推进风电、光伏发电无补贴平价上网的有关要求和相关支持政策措施,从而促进可再生能源高质量发展,提高风电、光伏发电的市场竞争力。

  自2018年“531”新政以来,行业降补贴已是大势所趋,根据智汇光伏的报道,2019年I、II、III类地区光伏标杆电价拟从2018年底的0.5元/kwh、0.6元/kwh、0.7元/kwh降低到0.4元/kwh、0.45元/kwh、0.55元/kwh。

  光伏电价补贴下调将是未来光伏产业的长期趋势。在电价下降的背景下,电站投资商只有通过不断降低电站建设成本,才能保证电站合理收益。通过采用高转换效率的单晶组件,可以有效降低组件相关设备成本,电价下调将促使下游电站投资商更多采用单晶产品,提高单晶市场占比。

  

  单晶组件性能优势凸显

  ◆ 同等条件下单晶组件发电量更高

  多晶硅在单晶炉内形成具有单一晶向、无晶界、位错缺陷和杂质密度低的单晶硅棒,而通过简单铸锭的形成的多晶硅棒是由众多小单晶颗粒组成,颗粒间的晶界会影响降低电池的发电能力。单晶材料结构单一,晶体结构更稳定,使得单晶材料相比多晶材料具有强弱光响应、低光致衰减、低工作温度和低线损的优势,带来的结果是同等条件下较多晶更多的发电量。

  ◆ 单晶组件长期使用过程中功率衰减更少

  光致衰减现象是指在光照下,电池组件发电功率发生衰退,是影响单晶组件和多晶组件稳定性和发电量的重要因素。单晶组件的初始光衰在光照2-3个月之后达到顶峰3%左右,在继续接受光照3-4个月之后,输出功率会恢复到接近初始水平,随后以较低的稳定水平缓慢下降;多晶组件几乎不存在初始光衰,组件功率在投入使用后持续衰退。从第二年起,单晶组件平均每年输出功率衰减不超过0.55%,多晶组件平均每年衰减0.71%-0.73%。到使用年限25年时,单晶组件的衰减后功率比多晶高出将近4个百分点。

  ◆ 单晶组件弱光响应更强

  弱光响应是电池组件在光照有限的条件下发电能力的重要参考因素,弱光响应越强,说明组件光敏感性越强,电池发电量更稳定。在辐照高时单、多晶相差不大,但在辐照低时,单晶电池的弱光响应明显高于多晶,造成单晶组件相比多晶组件全年的发电量更高。

  以阳光能源在格尔木10MW单晶方阵和10MW多晶方阵为例进行对比。在近两年的监测周期内,使用单晶组件的总发电量比使用多晶组件高出5.12%,由于弱光响应方面的优势,在阴天条件下单晶多晶电站发电量差异更为显着,高达10.06%。

  由此,在太阳能发电行业中,单晶份额提升已成必然趋势,太阳能发电对单晶硅的需求量会越来越高。

  单晶硅片渗透率提升

  首先,单晶电池具备更高的光电转换效率。在晶体硅中,单晶硅具有规则的结构,因而光电转换效率较多晶硅高。2018年,多晶电池平均转换效率约为19.2%,单晶电池平均转换效率为21.8%。

  其次,单晶和多晶电池组件每瓦成本差距逐渐缩小。多晶凭借成本优势,一度占据较高市场份额。2017年前后,随着单晶连续投料、金刚线切割等技术的发展,单晶和多晶的成本差距越来越小。2017年年初,单晶组件和多晶组件成本约相差0.2元/W,到2018年底两者仅相差0.06元/W。

  

  随着光伏市场的不断发展,高效电池将成为市场主导,单晶硅电池市场份额逐步扩大。2018年,单晶硅片市场份额超过40%,预计2019年将超过50%。随着异质结电池、N型PERT电池的应用推广,N型单晶硅片的市场份额也将逐步提高。二多晶硅片的市场份额未来将逐步下降。

  

  PERC电池持续扩张,N型电池蓄势待发

  电池片环节技术路线较多,根据硅片种类可以分为单晶电池和多晶电池,多晶技术路线主要向黑硅多晶、铸锭单晶路线发展;单晶根据衬底掺杂元素不同分为P型电池和N型电池。P型硅片制作工艺简单,成本较低,是目前单晶电池主流产品;N型硅片通常少子寿命较长,电池效率可以更高,但是工艺更加复杂。

  在纯硅上先掺杂硼(最外层含有3个电子),可以得到P型硅,在P型硅上面扩散磷元素,形成n+/p型结构的太阳电池即为P型硅片;在纯硅上先掺杂磷(最外层含有5个电子),可以得到N型硅,向N型硅其注入硼元素,形成p+/n型结构的太阳电池即为N型硅片。

  传统单晶和多晶电池主要技术路线为铝背场技术(Al-BSF),P型单晶的新型技术包括PERC路线,N型单晶的新型技术路线包括PERT(可以进一步升级为TOPCON)、HJT、IBC等路线。

  

  在《光伏制造行业规范条件》和“领跑者”计划推动下,各种晶硅电池生产技术进步迅速。2018年,规模化生产的多晶黑硅电池的平均转换效率达到19.2%,使用PERC电池技术的单晶和多晶黑硅电池效率提升至21.8%和20.3%,较2017年分别提升0.5个百分点和0.3个百分点,N型PERT单晶电池平均转换效率已经达到21.5%。双面N型PERT电池和异质结(HJT)电池已进入量产,并且会成为未来发展的主要方向之一。

  

  根据CPIA数据,2018年,我国BSF电池市场占比为60%,PERC占比为33.5%,是最主流的两类电池。由于高效电池受追捧,传统BSF市场份额将逐步萎缩。考虑到成本优势,PERC率先推广,CPIA预计2018-2021年,市场份额占比分别为33.5%、50.6%、55.7%、60.8%。N型电池包括PERT、HJT、N-PERT技术等蓄势待发,市场份额有望持续提高。

  

  以上数据来源于前瞻产业研究院发布的《中国光伏发电产业市场前瞻与投资战略规划分析报告》。

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