上海交通大学沈文忠:166 M6大硅片是大势所趋 薄片化是单晶优势
2019-11-07 16:58:04
北极星太阳能光伏网
 “大硅片是大势所趋,整个行业能够协同发展166 M6大规模普及应用。薄片化是单晶优势,但是我们现在还没有用好。技术快速特别是100微米薄硅片是大家努力的目标。我设想的光伏平价上网应该靠这么几个龙头,166MM大硅片和100微米薄硅片,基础是双面电池和高密度组件,支撑是智能逆变器高超配,包括智能技术的应用。”

——上海交通大学太阳能研究所教授、博士生导师 沈文忠

直播专题:第十一届中国(无锡)国际新能源大会暨展览会

以“变革·创新·突破”为主题,集中展示分布式光伏、储能、分散式风电、新能源汽车及充电桩、工业园区综合用能、氢能、智能电网等领域的新产品和新技术。由中国贸促会、江苏省人民政府主办的“第十一届中国(无锡)国际新能源大会暨展览会”于2019年11月7-9日在无锡太湖国际博览中心和无锡君来世尊酒店隆重举行。北极星太阳能光伏网作为战略合作媒体将对大会进行全程直播。

上海交通大学太阳能研究所教授、博士生导师 沈文忠

沈文忠:

非常高兴有这个机会到无锡跟大家交流,我想讲一个最近一年当中比较热门的话题就是晶硅尺寸的变化,当然尺寸的变化是大小和厚度将这么一个话题引出从我们专业角度来看电池技术的发展,因为我们知道电池技术是我们光伏行业永恒的主题。

我来自上海交通大学太阳能研究所。我想大家应该也了解过去这么几十年来我们晶硅电池一直是市场的主流,应该是市场份额大概是95%以上,95%甚至更高的比例份额,未来十年按照现在的发展态势讲起来我想晶硅电池应该还是有持续的生命力。一个好的光伏产品要符合三个条件,我们现在看到很多网上新闻讲某一个性能的好处,但是一个好的产品要经过时间的检验一定电池效率要2四以上,电子成本要做到25美分以下甚至更低,系统稳定性要超过25年甚至更长时间,我们晶硅做到这一点。

所以中国的光伏产业刚才上午大家致辞当中也知道,我们光伏产业非常强大,除了硅料和应用端大概占世界份额50%以外其他都是遥遥领先,而且我们中国企业参与的报价非常有竞争力。未来三年有人预测在中东地区将低于美分的每度电出现,光伏是世界上最便宜的能源没有之一,所以未来为什么有持续的竞争力就是因为这个原因。

我们可以看到在技术进步当中我们晶硅电池做了非常大的努力,特别是中国的光伏企业,世界记录列表当中都给出中国的企业在主流PERC电池当中可以达到24%的效率。今年的8月份两大著名的企业隆基和天合开的论坛,都讲了硅片尺寸的变化,希望进一步降低成本,类似于我们国家明年要实现的平价上网的政策。另外可以看到这是给出了一张示意图,硅片尺寸大小的变化左右了最近这二三十年价格的下降。

所以我今天要讲的第一是从半导体级硅片尺寸变化趋势看太阳能级硅片大小发展,第二从硅太阳电池技术变化趋势来看太阳能级硅片除了尺寸还有厚度方面的变化情况,也就是薄片变化情况。

过去四十年一直围绕着摩尔定律在发展,现在也有人在说摩尔定律是不是过期了,但是现在还是没有明显看到可以替代硅集成电路技术出现。目前芯片上的光刻线度达到7纳米,如果大家手上用手机无论是华为最新手机还是苹果最新手机都用的7纳米的工艺,上面的经济管数目是65亿个,我们国家现在在分离的追赶,但是我们国家的平均水平还是停留在28纳米左右,刚刚开始,所以有非常大的发展空间。从这个技术上来讲我们看无论是太阳级硅还是半导体级硅都用了改良西门子法,用多晶硅原料,直拉法或者区熔法来做,太阳能级硅有6到7个9,半导体级硅达到9个9甚至更高的高度。半导体级硅可以看到从6英寸、8英寸、12英寸、18英寸,现在我们知道现在投资的热点是12英寸,其实12英寸在国际上成为比较主流的产品,2022年份额要达到峰值,我们国家现在才刚开始投12英寸的,我们主要是在8英寸的硅片上,这个差距比较大的。经过十多年的发展是不是下面是18英寸,我们看18英寸国际上到目前为止中国十多年的发展是一个没有解决的课题。尺寸的应用能不能规模化应用要整个尺寸的配套,包括人才、技术、设备供应厂商等等要全方面配套才可以把产品引入成熟的市场。这方面的经验和教训我们太阳能能级硅片是应该有所考虑和思考的。

这几年光伏产品发生巨大的变化,2012年到2015年最大的变化从5寸变到了6寸,但是面积增加了50%以上,我们现在都是用通量计算的,增加50%硅片的尺度相当于增加50%的电子和储件的产能,但是2015年有小的变化,我们中国的技术人员和企业家非常厉害,做了一些小的变化,目的是为了增加2%、3%这么一个比例,从M0变到M1变到M2,现在也是主流的产品从125.75增加到158.75。我列的这么多数据对规范都是存在的,对规范不是太有利的。

现在有两种路线在行业当中,一个我们认为是微调配,把原来微角的变成微调158.75,革新派硅片编剧提升到了166mm,M6增加的幅度相对比较大,对于72的组件功率可以达到390到400瓦,如果是166可以达到435瓦等等,而且这两种规格硅邦直径都是233的。国际IEC TC82当中有一个草案但是没有完全定论,现在推进的是156.75、158.75和166,要增加有两个方案,166是0.75毫米这么一个增加,避免使用157.0或者是161.5等等,超过166以后以一个毫米的幅度来增加,因为硅片尺寸多样化其实是对我们整个行业的产业链造成的极大的麻烦,其实有些规格特别是设计院设计好了以后变化还是非常困难的,标准化也是非常重要的一个步骤。这个是硅片尺寸标准化给出的推荐值,网上都有相关的数据。

从今年6月份上海展会可以看到国际上前七大公司所采用的技术方案,以158.75%方角为主流,以隆基为代表的166,166也是快速发展的市场,大硅片的尺寸是大势所趋。所以第一个结论是大硅片是大势所趋,特别是到166以后所有的从拉晶和切片只要进行改造就可以进行很好的升级。增加12%硅片的尺度就可以增加12%的电池和组件的产能,可以比OS的成本可以有很好的提升。河北能源研究院测算可以在中国三各地区每瓦八分钱,这是一个比较大的提升。

整个行业可以通过改进实现166的生产,所以166是合作共赢的尺寸,希望整个产业链协同发展。所以我们认为考虑到中国大概有130GW以上的电池和组件的产能,所以166在比较长时间内会成为标准的上限。

今天展会大家看到发布了M12,又增加了61%的尺寸,那个通量是巨大的,也会创造更多的收益。但是它的难点还是非常多的,我这里列了一些,这里不是技术论坛就不展开了,制造难度非常大,而且有一点这个技术的推广需要产业的协同发展。166大尺寸或者210是新生事物,所以我随便列了几个问题,大家可以拍照讨论考虑到底我们推广到尺寸硅片现在最大的降本优势和解决的问题,包括主流应用最大的挑战是什么。

第二方面电池技术来看薄片化的发展。我们通过二十年的努力主流现在是PERC电池,这不是最终的目标,我们从技术角度上讲有技术钝化,未来的目标会实现26%以上的效率,达到晶硅电池的极限。为什么主流的电池厂商对PERC非常感兴趣,现在就有五六年的历史。我们把电池的钝化技术武装到了牙齿,所以获得了25%乃至26%的电池效率,而且PERC的节奏可以承受高温的过程,这个听起来有点费尽心思,我们现有的以PERC电池为主的工艺都是高温工艺,所以高温工艺的升级对于企业的改动更小一些,而且低温的工艺技术技能方面很好但是要亿字级这样的可能还要一定时间的培养。

关于低温工艺我们知道市场上现在也是非常热门讨论的话题,量产效率达到23%是非常可以实现的,而且容易实现的,这个技术有二十年的历史,我跟我的一个博士在2014年通过一个课题我们就写了一本讲异质结电池的进步,经过这五年的发展技术进步很快。

希望能够做集成电池,大家知道钙钛矿也是非常热门的话题,晶硅只能跟异质结电池因为共用了透明导电膜。欧洲有一家公司走在前面,通过异质结的认证达到了28%的效率,很多的风投包括中国的金风科技都在投,但是真正的产业化还是要靠中国实现。

从七十年代大概500微米的厚度到现在目前的160到180微米的厚度,这个变化挺快的挺大的,但是话说回来我们过去的二十年我们规模化生产以来我们硅片的厚度一直保留在160到180,也就是过去的二十年硅片厚度减薄的进程是非常缓慢的,但是硅片的薄片化对于组件的价格是有立竿见影降本效果,我们测算一下如果硅片每降低20个微米对应的组件价格可以降低5到6分钱,整个行业未来增加到166才降低了8分钱每瓦,但是单层硅片厚度的减薄减薄20微米减薄10%就可以省五到六分钱,应该有很好的发展空间,但是因为碎片化的影响薄片化的进展是停滞的,行业预测对于多晶未来五年没有变化,对于单晶也是从180变到160,稍微保守了一些但是也是无奈的选择。我们在推下一步的技术能不能做得更薄做到100微米,对于硅片而言100微米硅片有几大好处,一个是硅材料用的少了,我们知道硅是用重量来卖的,第二是电压反而做的更高,还有对硅质量的要求反而可以降低,甚至可以做柔性的,这次展会也有柔性产品。最大的缺点是什么?硅是间接半导体吸收是不是够,光管理是非常重要的。

这是类似的没有破格给出的技术,改到100微米可以看到结果,开路电压短路电流总体上电池效率没有降低也能保持原来的幅度,硅片厚度的减薄我们做异质结电池用薄片化非常有利的。硅片减薄哪怕到30微米也不是问题。

硅片减薄对于电流是可以保证的,开路电压是不是可以保证?把100微米的硅片减薄到50微米,开路电压非但不降低而增加,这是好的产品原理基础在。

我们从光吸收角度来讲硅是间接半导体,理论上100微米可以吸收大部分太阳光,50到80微米是电池效率的最高点,但是行业都没有用。通过陷光措施30微米也可以几乎全部吸收太阳光,45微米的硅片是非常柔的,现在160到180微米的硅片是最容易碎的,只要硅片减薄是非常容易能做到的事情。薄片化也是单晶硅的最大优势,前几年单晶跟多晶竞争是非常白热化的,其实单晶的优势并没有用出来。我们想是不是可以下面做更深入的降本措施就是薄片化。除了异质结可以做薄片化,毋庸置疑的,我们讲双面的PERC电池也使薄片化成为可能。

我们讲一下双面电池,双面电池越来越重视了,从2015年开始PERC可以做双面电池以来,双面电池的主流技术以来已经从原来的HJT转移到PERC电池上来了。这是所谓的PERC也是非常不错的技术。

PERC电池的好处是什么?我可以用薄片,双面电池可以做到100微米甚至更薄。生产辅料也少,双面电池背面用的铝三线,单面用的是铝金,还有一些双面电池还有一个好处两面都透明的,可以发电的,所以温度会相对第一个3到5度跟单面电池相比,晶硅电池维度系数是0.42%,差了3到5度是差不多降了1%到2%左右,这是非常可观的。

不同的场景可能有不同的情况,一般是增加10%到30%,这是行业当中公认的。特别有一点是这个显示虽然辐照强度降低,双面电池发电量优势更加明显,告诉我们特别是黄昏傍晚的时候双面电池发电要比单面电池更加好一些。

日本的双面电池发电已经有好几年的历史,这是日本给出的数据。从2013年12月份到2016年4月份发电量可以增加25%。我们行业内的规矩无论是电池还是组件双面电池都是按照单面计价的,双面是奉送的。这是对于业主来讲没有争议。现在没有人否认双面电池的重要性,再过十年可以看到无锡这个活动到二十届的时候我们可以看一下双面电池是不是主流的产品。

所以我们讨论的结论是大硅片是大势所趋,整个行业能够协同发展166 M6大规模普及应用。薄片化是单晶优势,但是我们现在还没有用好。技术快速特别是100微米薄硅片是大家努力的目标。我设想的光伏平价上网应该靠这么几个龙头,166MM大硅片和100微米薄硅片,基础是双面电池和高密度组件,支撑是智能逆变器高超配,包括智能技术的应用。

我这十年一直在主持CSPV会议,我们去年在隆基举办的,大概是1千人左右的规模,是纯技术的交流会,下两个礼拜以后我们在上海会举办这么CSPV的我们已经做了十五个年头了,我们官网我们发布了初步议程,有三百个左右的报告,绝大部分的行业当中主流企业都回来参加,我们是非常讨论技术细节的会议。

谢谢大家。

(发言根据速记整理,未经本人审核)

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