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單多晶硅片性能對比

單晶硅片與多晶硅片在晶體品質(zhì)、電學性能、機械性能方面有顯著差異。下面的圖1是晶體硅光伏產(chǎn)業(yè)鏈的完整圖示，從硅料到硅棒、硅片、電池、組件再到系統(tǒng)。如圖1中紅色邊框標示，單晶和多晶的差別主要在于原材料的制備方面，單晶是直拉提升法，多晶是鑄錠方法，后端制造工藝只有一些細微差別。  
    
晶體品質(zhì)差異

圖2展示了單晶和多晶硅片的差異。硅片性質(zhì)的差異性是決定單晶和多晶系統(tǒng)性能差異的關(guān)鍵。左圖是單晶硅片，是一種完整的晶格排列；右圖是多晶硅片，它是多個微小的單晶的組合，中間有大量的晶界，包含了很多的缺陷，它實際上是一個少子復合中心，因此降低了多晶電池的轉(zhuǎn)換效率。另一方面，單晶硅片的位錯密度和金屬雜質(zhì)比多晶硅片小得多，各種因素綜合作用使得單晶的少子壽命比多晶高出數(shù)十倍，從而表現(xiàn)出轉(zhuǎn)換效率優(yōu)勢。


單晶是一種完整的晶格排列，在同樣的切片工藝條件下表面缺陷少于多晶，在電池制造環(huán)節(jié)，單晶電池的碎片率也是小于1%的，通常情況下是0.8%左右。單晶硅片可以穩(wěn)定應(yīng)用金剛線切割工藝，顯著降低切片成本，并提高電池轉(zhuǎn)換效率。對多晶而言，晶體結(jié)構(gòu)的缺陷導致在電池環(huán)節(jié)的碎片率一般大于2%，并且硅片切割工藝的改進難度很大，因為它沒法用金剛線切割，只能用傳統(tǒng)的砂線來切，成本上基本沒有多大的下降空間。

電學性能差異

圖3是單多晶的少子壽命對比。藍色代表少子壽命較高的區(qū)域，紅色代表少子壽命較低的區(qū)域。很明顯，單晶的少子壽命是明顯高于多晶的。



機械性能差異

圖4是單晶硅片和多晶硅片的機械性能電腦分析對比數(shù)據(jù)。可以看出，多晶硅片的最大彎曲位移比單晶硅片低1/4，因此在電池的生產(chǎn)和運輸過程中更容易破碎。我們今天講電站的質(zhì)量問題，很重要的一點，組件在運輸過程中可能產(chǎn)生電池片破碎、隱裂等問題，相對多晶而言，單晶在運輸中的抗破壞性能比較好。在長期的高低溫交替過程中，多晶組件更容易發(fā)生隱裂，這樣就降低了它的輸出功率。



單多晶電池對比

晶硅電池發(fā)展歷程

1839年，法國科學家貝克雷爾發(fā)現(xiàn)液體的光生伏特效應(yīng)。

1917年，波蘭科學家切克勞斯基發(fā)明CZ技術(shù)，后經(jīng)改良發(fā)展成為太陽能用單晶硅的主要制備方法。

1941年，奧爾在硅材料上發(fā)現(xiàn)了光伏效應(yīng)。

1954年，美國科學家恰賓和皮爾松在美國貝爾實驗室首次制成了實用的單晶硅太陽能電池。

1955-1975年，由于單晶電池成本較高，產(chǎn)業(yè)界不斷致力于降低晶體制造成本，并提出鑄錠單晶工藝。

1976年，鑄錠單晶技術(shù)失敗，德國瓦克公司率先將鑄錠多晶用于太陽能電池生產(chǎn)，犧牲晶體品質(zhì)以降低發(fā)電成本。

2005-2010年，多晶電池技術(shù)基于相對便宜的成本快速擴大份額。

2013年，松下HIT單晶電池轉(zhuǎn)換效率達到25.6%，突破了光伏產(chǎn)業(yè)界最高理論效率極限，人們再次評估各種技術(shù)的性能和成本區(qū)間。

2013-2015年，連續(xù)快速拉晶技術(shù)和金剛線切片技術(shù)的導入使得單晶組件成本與多晶組件成本差距縮小到3%以內(nèi)，采用單晶組件與采用多晶組件的電站單位投資成本持平。

預計到2016年，隨著PERC等高效技術(shù)的應(yīng)用，單晶組件與多晶組件成本將達到一致。

轉(zhuǎn)換效率對比

影響轉(zhuǎn)換效率的3項主要參數(shù)是：Voc(開路電壓)、Isc(短路電流)、FF(填充因子)，公式為：Eta=Voc×Isc×FF

從光電轉(zhuǎn)換效率參數(shù)分解來看，單晶電池的各項參數(shù)全面領(lǐng)先于多晶，詳見表1。一般來講目前工藝下國內(nèi)單晶電池量產(chǎn)效率是19.55%左右，做得好的話可以達到19.8%-19.9%，取決于它是三柵線還是四柵線；多晶電池量產(chǎn)效率一般是18.12%左右。

下面的表2是單晶電池和多晶電池在量產(chǎn)層面轉(zhuǎn)換效率發(fā)展?jié)摿Φ臄?shù)據(jù)，單晶優(yōu)勢非常明顯。

在實驗室記錄方面，單晶技術(shù)潛力的優(yōu)勢更加顯著。多年前澳大利亞新南威爾士大學開發(fā)出的P型單晶硅電池（PERL）最高轉(zhuǎn)換效率可達25% ，這一紀錄多年沒有被打破。PERL與我們現(xiàn)在做的PERC差別就在于，PERL在BSF上不使用鋁擴散，而是采用了銅擴散，因此轉(zhuǎn)換效率比PERC更高一點。目前SunPower開發(fā)出的N型單晶硅IBC 電池的最高轉(zhuǎn)換效率達25% ，松下N型單晶硅HIT異質(zhì)結(jié)電池轉(zhuǎn)換效率高達24.7% ，去年推出的“HIT+IBC”電池的效率高達創(chuàng)記錄的25.6% (Panasonic)。以上數(shù)據(jù)全部是基于單晶硅技術(shù)的實驗室記錄，而多晶硅電池最高實驗室轉(zhuǎn)換效率僅為20.8% ，差別是比較大的。單晶硅電池在各項主要參數(shù)上均全面高于多晶硅電池，在未來高效率發(fā)展方面具有更大的潛力。

下圖5是單多晶量子效率的對比，結(jié)果顯示單晶電池無論是在短波還是近紅外波段，量子效率都明顯高于多晶。這主要是由于多晶硅片存在較高的晶界和位錯缺陷，少子壽命普遍低于單晶。

另外，單晶具有更好的弱光響應(yīng)。從圖6可以看出，在輻照高的地方單多晶相差不大，但在輻照低的地方，單晶電池的弱光響應(yīng)是明顯高于多晶的，這也反映在全年的發(fā)電量差別上面。