多晶铸锭的前世今生

       自1960年人类第一次将光伏发电并入电网，至今光伏行业已然发生翻天覆地的变化，光伏发电已成为极其重要的清洁能源。硅元素是最基础的、应用最广泛的光伏发电材料，它在地壳中的含量占比超过26%，是仅次于氧的第二大元素，足够为人类光伏事业提供源源不断的原料支撑，未来硅材料未来将成为人类摆脱能源和环境危机的重要依托。

       那么问题来了，硅材料是什么时候开始用于发电的呢？

       早在1839年，法国科学家贝克雷尔就在液体中发现了光生伏特效应。直到20世纪，人们才发现硅具有光电响应的性质。1950年，科学家蒂尔和里特尔将切克劳斯基在1917年发明的拉晶技术应用于硅单晶的生长，这种拉晶技术已经成为现代生产高质量硅单晶的主要方法。美国科学家恰宾和皮尔松于1954年在贝尔实验室首次制成了实用的单晶硅太阳能电池，4年后首次在太空应用。

       然而在那个年代，以半导体工艺为基础的单晶生长技术产能极其有限，单晶电池成本居高不下，人们想尽一切办法扩大晶体产量，最有效的方法就是扩大硅料生长的炉体空间，在直拉单晶炉技术瓶颈未解的情况下，开始尝试浇铸工艺和定向凝固工艺制造晶体硅，多晶铸锭应运而生，然而它的晶体结构始终是无数单晶颗粒的拼接状态，高位错密度、高杂质含量的特征使得多晶电池转换效率无论如何也达不到单晶电池的水平。其后20年时间内，人们不断改良多晶铸锭工艺，提高单晶颗粒在铸锭中的面积比例以降低位错密度，降低杂质含量。里特尔经过多年研究证实，多晶硅材料的少数载流子寿命永远是大大低于单晶硅材料的。

       1976年，德国瓦克公司采用多晶铸锭的切片成功制成商用太阳能电池，虽然发电效率偏低，且长期衰减性能较差，但明显的成本优势仍为它打开了一片新市场。此后，多晶铸锭相对单晶的市场份额逐渐上升。

      20世纪80年代初，各国开始建设千瓦级乃至兆瓦级光伏电站，由于投资巨大，为了保证电站质量，人们普遍选择可靠的单晶电池组件。30多年后，人们回顾那时的老电站发现，单晶材料的可靠性的确经得起岁月考验。1982年欧洲第一个10KW单晶并网系统在瑞士建成，到目前为止年均衰减率仅0.4%；1984年，加州1MW单晶荒漠电站建成，在极其恶劣的环境下年均衰减率仅0.9%，同年兰州10KW单晶系统建成，年均衰减率0.37%；中科院电工所近期组织的“寻找中国最美光伏老组件”活动在云南、西藏发现了稳定运行30年以上的组件，全部是单晶材料制成；1994年宁波最早的单晶光伏电站到今天为止总功率衰减了13.1%；1997年德国西门子供应的单晶组件用于兆瓦级屋顶项目建设，目前平均年衰减0.4%。

       进入90年代后期，人类对光伏发电的需求开始加速，到1999年全球累计光伏装机突破1GW，其后以每年40%左右的速度增长，2004年新增容量即超过1GW。在这一时期，多数企业认为单晶工艺本身的复杂性导致其产能难以快速扩张，而多晶铸锭依靠标准化的自动生产设备以每年60%以上的速度扩产，迅速满足了全球光伏市场爆发式增长的需求。

       在2007-2011年“赚快钱”的年代，多晶铸锭年均产能增速甚至接近100%，大大超过市场需求增速光伏制造业最难熬的几年间，企业纷纷放弃了新建扩产项目的步伐，有实力的企业开始沉下心来加大研发投入，国内主要单晶企业致力于在不扩大固定投资的情况下提高现有设备的生产能力，不断刷新单炉产量，使欧洲、日本、韩国等不具备竞争力的单晶企业淘汰出局，另一方面，主流单晶电池企业通过各种新技术的应用进一步扩大相对多晶电池的发电效率优势；多晶铸已经遭遇技术天花板，每公斤单位成本下降空间有限，在金刚线切片领域找不到突破点，薄片化已被单晶拉开差距。

       此时，唯一的研发方向是提高多晶电池发电效率，一种被称为“准单晶”的“新概念技术”被提出，一个名曰“凤凰光伏”的企业宣传密集，昱辉、保利协鑫等主要硅片企业均上马“准单晶”，通过铺设籽晶来大规模生产类似单晶结构的晶体，期待凭借多晶铸锭设备超大产能优势实现单晶的批量化供应，仅仅2年后，这种“新概念技术”就被证实走了历史的老路，几乎无主要电池厂商使用“准单晶”做电池材料，国内几乎没有大型电站开发商使用“准单晶”组件。其实早在20世纪七、八十年代，BP、GT等多晶铸锭先驱早已试用并证实了铸锭技术生产单晶是不可行的，并且在产品性价比方面还不如普通的多晶铸锭。

       在“大上快上”年代，英利、晶科、天合等一体化企业纷纷上马多晶铸锭产能，同时在多晶电池研发上进行了资源倾斜，这从客观上加速了国内多晶电池效率的进步，从另外一个角度看，也使多晶电池效率瓶颈快速来临。反过头来看，美国、台湾、韩国等海外电池厂商纷纷在高效单晶电池领域扩大投入，迄今依然保持转换效率的优势。一体化企业早期上的多晶铸锭产能越来越成为一种包袱，要走高效化就得放弃，但放弃就要付出财务代价。

       主要电池组件厂商此时由于全球单晶供应相对紧张，且缺乏强有力的单晶电池组件竞争者，把单晶电池、组件作为高毛利产品大部分出口到日本和欧洲，甚至用单晶的高毛利反哺多晶产能，造成市场上单晶产品“洛阳纸贵”的现象

        2013年，松下公司采用异质结N型单晶技术实现了25.6%的光电转换效率，突破了光伏产业界最高理论效率极限，SunPower公司凭借背接触N型单晶技术也实现了23%以上的量产效率，人们再次评估各种技术的性能和成本区间。

       进入2015年，各条技术路线的优劣已经十分明晰，虽然单晶硅的每公斤生产成本仍高于多晶铸锭，但是基于金刚线切片优势和转换效率的差异，使得单晶组件成本已与多晶硅十分接近，国内单晶组件价格比多晶组件仅高出2.5%左右，但却能够节省8%的电站设备和工程成本，核算下来单多晶投资已经相差无几。

       相对于成本较高的异质结、背接触N型单晶技术，背钝化电池工艺具有更高的性价比，它能够将普通的P型单晶效率提高1个百分点，而多晶铸锭制成的电池效率仅能提高0.5个百分点，单晶优势进一步凸显。

       目前国内已有厂商大批量生产背钝化单晶电池，同时，直拉单晶炉的单体产能提升到过去的3倍，材料成本快速降低，而多晶铸锭炉的单体产能瓶颈则始终无法突破。预计到2016年底，在单晶组件功率高出10%左右的条件下，单晶组件与多晶组件价格有望持平。

       2015年对多晶铸锭是一个尴尬的分水岭，在转换效率方面不仅没有达到单晶的水平，反而与单晶的差距在不断扩大，而多晶铸锭天然的成本优势也逐渐被抹去，全球最大的多晶铸锭企业保利协鑫也宣告大举投资单晶。展望2016，多晶铸锭式微的窘境日渐清晰。未来，何去何从？