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本文將盤(pán)點(diǎn)本世紀(jì)以來(lái)影響光伏效率和成本的十大技術(shù)變革。
1.多晶硅制造降本
光伏的主流技術(shù)是晶硅光伏發(fā)電，因此多晶硅材料是光伏發(fā)電的根本。從擁硅為王到硅料過(guò)剩，再到硅料短缺，硅料的成本和價(jià)格始終是影響光伏成本的第一要素。
而多晶硅料最重要的成本便是能源成本，降低硅料的能耗、尋找更低的能源價(jià)格是降低多晶硅生產(chǎn)成本的重點(diǎn)。多晶硅的生產(chǎn)技術(shù)工藝，經(jīng)歷了從西門(mén)子法到改良西門(mén)子法，再到流化床法顆粒硅的過(guò)程。
多晶硅生產(chǎn)的西門(mén)子工藝起源于德國(guó)西門(mén)子，因此又叫西門(mén)子法。1955年，西門(mén)子公司成功開(kāi)發(fā)了利用氫氣還原三氯硅烷在硅芯發(fā)熱體上沉積硅的工藝技術(shù)，并于1957年開(kāi)始了工業(yè)規(guī)模的生產(chǎn)，至今該生產(chǎn)方法已經(jīng)沿用半個(gè)多世紀(jì)。其原理就是在1100℃左右的高純硅芯上用高純氫還原高純?nèi)葰涔?，生成多晶硅沉積在硅芯上。
但西門(mén)子法存在多晶硅轉(zhuǎn)化率低，四氯化硅等副產(chǎn)品污染嚴(yán)重等問(wèn)題。在過(guò)去60多年中，業(yè)內(nèi)參與者不停地對(duì)西門(mén)子法進(jìn)行技術(shù)優(yōu)化和提升，已經(jīng)改良到了第三代。改良西門(mén)子法在傳統(tǒng)西門(mén)子工藝的基礎(chǔ)上，將生產(chǎn)過(guò)程變得更節(jié)能、降耗，回收利用生產(chǎn)過(guò)程中伴隨產(chǎn)生的大量H2、HCI、SiCI4等副產(chǎn)物以及大量副產(chǎn)熱能的配套工藝，其優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)非常突出。
改良西門(mén)子法大大降低了多晶硅能耗，且合理利用了副產(chǎn)物，減少了環(huán)境污染，目前全球前十硅料生產(chǎn)企業(yè)的技術(shù)路線(xiàn)都以改良西門(mén)子法為主。但經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，改良西門(mén)子法降本的空間已幾乎沒(méi)有，而且與新出來(lái)的流化床法相比，仍屬于能耗高，污染重。
流化床法，最早是美國(guó)聯(lián)碳公司在1952年開(kāi)發(fā)出將硅烷分解沉積在固定床上硅顆粒表面的技術(shù)，這也是流化床技術(shù)最早的雛形，數(shù)年之后，杜邦公司在1961年申請(qǐng)了使用三氯氫硅為原料在流化床內(nèi)生產(chǎn)顆粒硅的專(zhuān)利，標(biāo)志著流化床法正式面世。
流化床法的主要原理是將硅烷用氫氣作為載體，像氣流一樣從流化床反應(yīng)器底部注入，然后上升到中間加熱區(qū)反應(yīng)，因?yàn)橛械撞窟M(jìn)料時(shí)候的氣流源源不斷的進(jìn)入，可以讓反應(yīng)器內(nèi)的籽晶沸騰起來(lái)，處于懸浮狀態(tài)，注入的硅烷等原料和氫氣在加熱區(qū)發(fā)生反應(yīng)。然后，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，硅逐漸沉積在懸浮狀態(tài)的硅籽晶上，籽晶顆粒不斷地生長(zhǎng)，長(zhǎng)大到足夠重量的時(shí)候，硅顆粒沉降到反應(yīng)器的底部，排出的就是顆粒硅。
流化床法只比西門(mén)子法晚出現(xiàn)5年，但至今仍未得到大規(guī)模的應(yīng)用，盡管其省電、污染少、副反應(yīng)少、效率高，后期加工成本更低。但其純度問(wèn)題、安全問(wèn)題導(dǎo)致至今未大規(guī)模應(yīng)用。
不過(guò)這一情況正在改變，2021年11月協(xié)鑫硅烷流化床法顆粒硅2萬(wàn)噸產(chǎn)能正式投產(chǎn)，實(shí)測(cè)綜合電耗可降至15千瓦時(shí)/千克。目前顆粒硅在建及規(guī)劃產(chǎn)能已經(jīng)達(dá)到60萬(wàn)噸，協(xié)鑫在這一領(lǐng)域摸索10年，蓄勢(shì)待發(fā)。
光伏降本中，多晶硅生產(chǎn)工藝降本成為材料降本的第一要素。
2.長(zhǎng)晶技術(shù)高效化
單晶完勝多晶，除了金剛線(xiàn)切割的外來(lái)加持起了重要推動(dòng)外，單晶工藝的革新讓單晶的長(zhǎng)晶成本和質(zhì)量大大改善。
此前，單晶成本一直高于多晶，在于其長(zhǎng)晶速度慢、硅棒直徑小、抑氧能力不足、熱場(chǎng)分布不均等諸多因素。
2015年前后，隆基在單晶領(lǐng)域取得了連續(xù)拉晶、多次加料拉晶、大裝料、快速拉晶、節(jié)能熱場(chǎng)等技術(shù)領(lǐng)域的快速突破與推廣應(yīng)用，先進(jìn)單晶制造商單爐投料量已經(jīng)達(dá)到500kg以上。隆基研發(fā)測(cè)試中的CCZ連續(xù)加料技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)邊拉晶邊加料，進(jìn)一步大幅提高投料量和單爐產(chǎn)量，降低拉晶成本，在長(zhǎng)晶環(huán)節(jié)逐漸逼近多晶鑄錠。
在熱場(chǎng)控制領(lǐng)域，必須重點(diǎn)提及碳碳復(fù)合材料替代石墨材料的重大技術(shù)創(chuàng)新。碳碳復(fù)合材料，可有效提高熱場(chǎng)使用爐數(shù)，降低電保成本，可以做更大的坩堝以增加坩堝單爐投料量。而此前的坩堝一般采用等靜壓石墨材料，在安全性、經(jīng)濟(jì)性等方面都不適于大坩堝。隆基利用坩堝涂層技術(shù)大幅延長(zhǎng)坩堝使用壽命，更好地適應(yīng)多次拉晶。
此外，2015年起國(guó)家大力推動(dòng)的“智能制造”工程，也助推單晶領(lǐng)域通過(guò)提升單晶爐自動(dòng)化、智能化控制水平，減少單晶生長(zhǎng)過(guò)程中的人為干預(yù)和用工數(shù)量，從而提高成晶率并降低人工成本。
單晶領(lǐng)域的不斷快速進(jìn)步，使得單晶方棒成本以更快的速度下降，最終加快了單晶對(duì)多晶的市場(chǎng)取代，讓光伏電池更高效的同時(shí)，也大大降低了光伏度電成本。
3.硅片切割精細(xì)化
硅片是從硅棒上一片片切下來(lái)的，晶硅片約占太陽(yáng)能電池組件生產(chǎn)成本的40%，晶硅片切割質(zhì)量是影響切割工藝的重要因素。硅片的切割過(guò)程，由于生產(chǎn)工藝的改進(jìn)，正變得越來(lái)越快、越來(lái)越薄、缺陷和雜質(zhì)越來(lái)越少。這個(gè)過(guò)程中，最重要的變化就是從傳統(tǒng)的砂漿切割轉(zhuǎn)為到金剛線(xiàn)切割。
在電鍍金剛石線(xiàn)切割工藝出現(xiàn)以前，絕大部分單晶硅和多晶硅廠商均采用砂漿切割。在晶體硅材料切割加工過(guò)程中，砂漿鋼線(xiàn)切割是將碳化硅磨料加入到金屬線(xiàn)和加工件之間產(chǎn)生切削作用，即邊切割邊向金屬線(xiàn)送帶有碳化硅磨料的漿液，存在切割效率低、鋸口損耗大、表面粗糙度和面型精度難以控制、砂漿污染環(huán)境和回收困難等缺點(diǎn)。
金剛石線(xiàn)切割即采用特殊技術(shù)手段將堅(jiān)硬的金剛石牢牢地均勻固定在鋼線(xiàn)上，再用制作完成的金剛石線(xiàn)對(duì)材料進(jìn)行切割。金剛線(xiàn)切割較之砂漿切割，單位產(chǎn)能耗硅量大幅減少；切割效率高，速度提升五倍；材料損耗少、出片率高，環(huán)境污染較小，產(chǎn)品質(zhì)量提升，運(yùn)營(yíng)成本顯著下降。
硅料價(jià)格暴漲加快了硅片減薄的趨勢(shì)，砂漿切割的硅片主流厚度是180μm，最薄一般也只能做到160μm，并且會(huì)帶來(lái)良率下降等問(wèn)題。采用金剛線(xiàn)切硅片目前可以做到140μm 甚至更低，從而可以進(jìn)一步攤薄硅片的硅成本和折舊。
在隆基的堅(jiān)持不懈的推動(dòng)下，光伏行業(yè)從2014年起逐漸向金剛線(xiàn)切割轉(zhuǎn)變，目前已普遍采用金剛線(xiàn)切割，金剛線(xiàn)切割工藝也加快了光伏從多晶向單晶的轉(zhuǎn)變，對(duì)降低硅片成本做出重大貢獻(xiàn)。
近兩年金剛線(xiàn)母線(xiàn)主要還是高碳鋼絲，為了進(jìn)一步提升切割效率和質(zhì)量，降低切割成本，克服硅片減薄的挑戰(zhàn)，光伏行業(yè)正在探索用鎢絲替代高碳鋼絲，目前從技術(shù)上已沒(méi)有太大問(wèn)題。
4.電池效率最大化
光伏降本的另一大要素是效率降本，從光伏發(fā)電誕生起，光伏電池就在不斷地提升光電轉(zhuǎn)化效率，先后實(shí)現(xiàn)了第一代常規(guī)晶硅，第二代PERC晶硅，第三代HJT/TOPCon的產(chǎn)業(yè)化。
實(shí)驗(yàn)室中：1954年全球首個(gè)實(shí)用單晶太陽(yáng)電池效率為6%；1959年第一個(gè)多晶硅太陽(yáng)電池效率達(dá)5%；1976多晶硅太陽(yáng)電池效率達(dá)10%，1980年單晶硅太陽(yáng)電池效率達(dá)20%，1998年單晶硅光伏電池效率達(dá)25%。
生產(chǎn)線(xiàn)上：2000年前后，商品化電池效率約10%，2010年左右提高到13%；2014年前后提升到15%，2016年左右提升到17%，2018年前后提升到19%，現(xiàn)在普遍在21-22%左右。先進(jìn)技術(shù)如異質(zhì)結(jié)、TOPCon的商業(yè)化電池效率已經(jīng)提升到22-24%，這些成績(jī)的取得，隆基、晶科、天合、華晟、中來(lái)、一道新能源等功不可沒(méi)。
從2000年的10%到2020年的20%，效率提升一倍，相當(dāng)于降本50%！對(duì)效率提升貢獻(xiàn)的相關(guān)技術(shù)包括多晶到單晶，摻雜、選擇性吸收、減反、增透，硅材料純度提升（10年前通常認(rèn)為太陽(yáng)能多晶硅是6個(gè)9，現(xiàn)在普遍追求7個(gè)9）等。
而光伏電池的發(fā)電技術(shù)，也從原來(lái)的常規(guī)晶硅，到改良型黑硅、SE等演變到PERC的全產(chǎn)業(yè)化，從多晶到單晶的全面取代，第三代晶硅技術(shù)- HJT/TOPCon也正加速量產(chǎn)中。
5.金屬互聯(lián)細(xì)密化
光伏組件封裝，離不開(kāi)電池片的金屬化互聯(lián)工藝，需要用焊帶將單片電池串聯(lián)在一起。這個(gè)過(guò)程中，金屬化互聯(lián)經(jīng)歷了從兩主柵（2BB）到3BB、5BB、7BB、9BB、12BB，以至發(fā)展出無(wú)主柵。
所謂無(wú)主柵，其實(shí)就是主柵細(xì)化、密化到看不出有主柵的存在。
主柵數(shù)量和線(xiàn)徑的變化，讓電池被遮擋的面積降到最低，減少內(nèi)阻，還發(fā)展出三角焊帶、圓弧焊帶等形式，進(jìn)而提升光電效率和電池功率。
6.組件尺寸變“大”化
單塊組件效率的提升，一半來(lái)源于光電效率提升了一倍，另一半來(lái)源于組件面積增加了一倍。面積變大最大的誘因是電池片面積的增大和串并聯(lián)方式的改變。
圖：20世紀(jì)各種老式光伏電池及組件
圖：近20年各種電池組件及板型
電池形狀從最初的圓形、六邊形到此后的正方形、矩形，硅片邊距從125mm到156mm，再發(fā)展到166、182、210mm，單片電池的功率隨著電池效率及面積的增加而增大，單塊組件的功率也隨著組件效率及面積的增加而增大。
2010年前后，單塊組件的功率大約在160W左右，2013年提升至200瓦左右，2015年到270W左右，2017年300瓦左右，2019年350W左右。此后隨著166、182、210硅片的出現(xiàn)，單塊組件功率快速提升至400W、500W、600W，目前商業(yè)化組件最高功率在660 – 700W。
與尺寸變大相對(duì)應(yīng)的，是組件板型的變化。2015年前板型變化主要是增大，串?dāng)?shù)增加、單串電池片數(shù)量增加已經(jīng)電池片面積變大；2016年后，光伏板型出現(xiàn)重大技術(shù)革新，傳統(tǒng)的單板型變成兩個(gè)板塊從中間互聯(lián)（曾任職海潤(rùn)和協(xié)鑫的攜創(chuàng)科技創(chuàng)始人張雨軍曾申請(qǐng)板塊互聯(lián)設(shè)計(jì)專(zhuān)利）。
硅片、電池、組件尺寸的增加，讓產(chǎn)品的加工成本大幅降低的同時(shí)，也降低了平衡系統(tǒng)的成本，逆變器的功率等級(jí)也越做越高，跟蹤支架也在升級(jí)換代。
7.背板材料多元化
在光伏材料降本的過(guò)程中，輔材價(jià)格也迅速下降。除了因規(guī)模化生產(chǎn)帶來(lái)的降本推動(dòng)外，材料的更新和差異化也是推動(dòng)輔材降本的重要因素。表現(xiàn)在光伏背板產(chǎn)品，主要經(jīng)歷了由TPT到KPK到CPC，再到T、K、C的各種組合如TPK、TPC、KPC，還有不含氟的PET背板等。
T是PVF的簡(jiǎn)稱(chēng)，由杜邦率先推出并一度成為光伏背板標(biāo)準(zhǔn)BOP。此后在阿科瑪、賽伍技術(shù)的大力推動(dòng)下，采用PVDF材料（簡(jiǎn)稱(chēng)K）替代了PVF成為一種新的背板結(jié)構(gòu)；在大金、中來(lái)的推動(dòng)下，采用氟涂料替代氟膜成為另一種CPC背板結(jié)構(gòu)；在東麗、尚善的推動(dòng)下，采用耐候PET制成不含氟的背板結(jié)構(gòu)。
背板材料的多元化，大大加快了光伏輔材的降本速度。此后，背板企業(yè)又推出了不同含氟結(jié)構(gòu)的組合，形成更多差異化的背板產(chǎn)品；杭州福膜、四川東材等公司又加快了背板原材料的國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程；明冠新材料等還在中間層材料和非氟背板材料也不斷創(chuàng)新。
背板的差異化和多樣化，不僅是技術(shù)上的革新和進(jìn)步，還要經(jīng)歷一些列實(shí)證檢驗(yàn)。十多年來(lái)，中國(guó)背板企業(yè)推陳出新，克服了重重困難，將背板材料和制造成本降到極限，為光伏降本做出了巨大的貢獻(xiàn)。
8.封裝膠膜復(fù)合化
在經(jīng)歷了透明硅膠、離子型聚合物、PVB、POE等材料的多年挑戰(zhàn)后，EVA成了封裝膠膜的代名詞，橫行全球光伏。
但隨著雙玻組件的發(fā)展，EVA對(duì)于雙玻封裝的一些“不適”也開(kāi)始顯現(xiàn)，此外即便是抗PID的EVA，也只是比普通EVA更抗PID而已，行業(yè)對(duì)POE的興趣越來(lái)越大。但相比EVA粒子的國(guó)產(chǎn)化進(jìn)展，POE粒子至今仍完全依賴(lài)進(jìn)口，膠膜的成本高于EVA，對(duì)于1瓦1分錢(qián)的光伏來(lái)說(shuō)，選擇EVA還是POE始終在爭(zhēng)論。
光伏膠膜的領(lǐng)軍企業(yè) - 海優(yōu)威率先打破了這一僵局。借助此前收購(gòu)的愛(ài)康膠膜生產(chǎn)設(shè)施，海優(yōu)威推出了“EPE – EVA/POE/EVA”的三層共擠復(fù)合結(jié)構(gòu)，既保持了EVA良好的加工性能，又增加了POE優(yōu)異的絕緣性能。
采用三層共擠的復(fù)合結(jié)構(gòu)，還從材料來(lái)源上打破了對(duì)單一材料的嚴(yán)重依賴(lài)。作為石化類(lèi)產(chǎn)品，EVA粒子即便實(shí)現(xiàn)的國(guó)產(chǎn)化，其對(duì)進(jìn)口的依賴(lài)度仍然很高，受石油行情波動(dòng)影響很大；POE作為尚未國(guó)產(chǎn)化的材料，其“卡脖子”效應(yīng)更為明顯。采用三層復(fù)合結(jié)構(gòu)，可以大大降低對(duì)單一材料的依賴(lài)程度，未來(lái)，POE粒子的國(guó)產(chǎn)化已經(jīng)開(kāi)始，光伏膠膜降本的空間還將繼續(xù)。
9.組件發(fā)電雙面化
10年前，尚德、英利率先開(kāi)始了組件結(jié)構(gòu)的雙玻化。此后由于眾所周知的原因，天合光能扛起了雙玻組件從開(kāi)發(fā)到應(yīng)用的行業(yè)大旗。
“雙玻”，顧名思義是兩塊玻璃，其中正面玻璃功能與傳統(tǒng)單玻一樣，但背面玻璃則是替代了傳統(tǒng)單玻組件結(jié)構(gòu)中的背板。從此被稱(chēng)為“backsheet”的背板，不再是有機(jī)材料的代名詞，又多了“玻璃”新概念加持。
采用玻璃背板替代有機(jī)背板，被寄予更長(zhǎng)使用壽命、更防水、更抗PID、抗隱裂、抗蝸牛紋、更高機(jī)械載荷、更低成本等諸多期望。在天合、阿特斯、信義等領(lǐng)頭羊的帶動(dòng)下，雙玻組件完成了封裝工藝和良率的種種挑戰(zhàn)，在2015年前后開(kāi)始量產(chǎn)并被廣泛部署。
但真正讓雙玻組件市占率提升的，是雙面發(fā)電時(shí)代的到來(lái)。隨著雙面電池成本越來(lái)越接近單面電池，雙面發(fā)電的成本收益越來(lái)越受到行業(yè)的關(guān)注，晶科對(duì)未來(lái)地面電站都將是雙面發(fā)電的預(yù)言，讓雙面的市場(chǎng)迅速壯大。而雙玻最大的優(yōu)勢(shì)就是背面透明，允許雙面發(fā)電。
雙面發(fā)電產(chǎn)品的度電成本優(yōu)勢(shì)，在美國(guó)光伏201關(guān)稅的雙面發(fā)電豁免政策下得到進(jìn)一步的加持，一度導(dǎo)致2019、2020年玻璃市場(chǎng)嚴(yán)重缺貨。盡管透明背板也開(kāi)始出現(xiàn)，但在雙面發(fā)電的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，雙玻依然是絕對(duì)的主力。
–從單玻組件到雙玻組件到雙面組件，從單面發(fā)電到雙面發(fā)電，光伏度電成本再次被顯著降低。
10.支架跟蹤“追日”化
“追日”從來(lái)不是一個(gè)新概念，2010年前后聚光光伏采用的便是追日跟蹤系統(tǒng)，而常規(guī)晶硅光伏普遍采用的是固定支架。
隨著聚光光伏的退出，聚光光伏的跟蹤技術(shù)便開(kāi)始向常規(guī)晶硅光伏系統(tǒng)轉(zhuǎn)移，大約從2015年起，常規(guī)晶硅光伏用支架的“追日化”便逐漸開(kāi)始得到產(chǎn)業(yè)化的應(yīng)用，出現(xiàn)了如中信博、江陰協(xié)統(tǒng)、黃山?；⒑贾葆∈⒌纫慌欀Ъ苌a(chǎn)廠家。
雖然聚光光伏的“追日跟蹤”產(chǎn)品由于成本高，并未被常規(guī)光伏所采用，但“追日”的概念開(kāi)始被光伏電站設(shè)計(jì)者接受，并在光伏領(lǐng)跑者計(jì)劃的實(shí)施中被實(shí)證，光伏電站開(kāi)始出現(xiàn)可調(diào)支架、平單軸、斜單軸、雙軸等多種形式。
無(wú)論哪種形式，都是為了更好地追蹤陽(yáng)光，最大限度地利用陽(yáng)光，特別是隨著雙面發(fā)電技術(shù)的普及，跟蹤支架對(duì)發(fā)電量的增益表現(xiàn)尤為明顯。其中平單軸，由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、控制方便，市占率快速提升。
固定支架技術(shù)含量低，生產(chǎn)廠家眾多，難以統(tǒng)計(jì)。而跟蹤支架增加了控制系統(tǒng)，技術(shù)含量更高，“智能化”水平也不斷提升。在全球光伏產(chǎn)業(yè)出貨量調(diào)查中，近年來(lái)單獨(dú)新增了跟蹤支架出貨量類(lèi)別，中信博和天合跟蹤已多次名列全球前十大供應(yīng)商。
跟蹤支架對(duì)發(fā)電量的增益顯著降低了光伏度電成本，在硅料短缺引起光伏裝機(jī)成本猛漲之際，跟蹤支架正越來(lái)越多地被應(yīng)用到光伏電站設(shè)計(jì)中，預(yù)期在中國(guó)風(fēng)光大基地建設(shè)中跟蹤支架將發(fā)揮更大的優(yōu)勢(shì)。而近期中信博等跟蹤支架制造商的股價(jià)大漲也從資本層面映證了這一預(yù)期。
【結(jié)語(yǔ)】
光伏行業(yè)從來(lái)不缺乏創(chuàng)新，創(chuàng)新對(duì)光伏度電成本的降低起到了重大的推動(dòng)作用。如果您覺(jué)得還有更多的創(chuàng)新已經(jīng)或?qū)⒁菩袠I(yè)降本，歡迎在文末留言，讓更多的人知道、更多地應(yīng)用。
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