近兩年光伏最熱門話題之一當(dāng)屬硅片尺寸之爭,毋庸置疑的是,大尺寸硅片成為行業(yè)發(fā)展趨勢。今日我們將結(jié)合硅片尺寸發(fā)展歷程、當(dāng)下各硅片尺寸對比等,與各位同仁分享中節(jié)能太陽能科技(鎮(zhèn)江)有限公司(以下簡稱中節(jié)能太陽能鎮(zhèn)江)在大硅片尺寸組件上的探索。
大尺寸已成行業(yè)趨勢
(a)硅片尺寸發(fā)展歷程
硅片尺寸經(jīng)歷了三次主要的變革:第一階段1981年-2012年,硅片尺寸以100mm、125mm為主;第二階段2012年-2015年,以156mm(M0)、156.75mm(M2)為主;第三階段2018年以來,出現(xiàn)了158.75mm(G1)、161.7mm(M4)、163mm、166mm(M6)、210mm(G12)等更大尺寸硅片。
(b)大尺寸快速普及
自2018年以來,硅片尺寸快速迭代,18年晶科率先推出G1硅片,19年韓華、隆基、中環(huán)相繼推出M4、M6、G12硅片,大硅片迅速成為市場新寵,并成為改造、新建車間的基本前提。
一方面,平價上網(wǎng)迫在眉睫。
根據(jù)IRENA最新統(tǒng)計,全球光伏發(fā)電平均度電成本仍高于傳統(tǒng)化石燃料(圖1.1),光伏裝機容量仍需財政補貼才能實現(xiàn)穩(wěn)量增長,截止2018年底中國財政補貼累計拖欠2000億元(包含風(fēng)電和生物質(zhì)發(fā)電),因而2018年以來相繼出臺了《關(guān)于推進風(fēng)電、光伏發(fā)電無補貼平價上網(wǎng)項目建設(shè)的工作方案(征求意見稿)》《關(guān)于完善光伏發(fā)電上網(wǎng)電價機制有關(guān)問題的通知》《關(guān)于2019年風(fēng)電、光伏發(fā)電項目建設(shè)有關(guān)事項的通知》等相關(guān)文件以促進光伏平價上網(wǎng)。美國、法國、德國也相繼出臺各項政策以推動光伏平價上網(wǎng)。
圖1.1 不同發(fā)電度電成本對比(來源IRENA,2019.11)
另一方面,高功率組件可有效降低度電成本,但存在諸多限制。
第一,高效電池技術(shù)的應(yīng)用可顯著提升組件功率,但近年量產(chǎn)的多晶PERC、鑄錠單晶PERC、單晶PERC等效率增速逐年降低,因而降本空間越來越?。▓D1.2);同時高效電池需進行多種技術(shù)優(yōu)化及疊加,以單晶PERC電池為例,從23%提至24%,量產(chǎn)成本反而可能增高(圖1.3)。
圖1.2 各類型電池技術(shù)平均轉(zhuǎn)換效率(來源CPIA數(shù)據(jù)整理)
圖1.3 單晶PERC電池效率提升路線(來源隆基公開報告)
圖1.3 單晶PERC電池效率提升路線(來源隆基公開報告)
第二,高效組件技術(shù)百家齊放,目前僅多主柵半片技術(shù)實現(xiàn)大規(guī)?;慨a(chǎn),雖然提升組件功率10-15W,但是產(chǎn)生的收益仍無法滿足市場降本需求。
組件提效技術(shù)主要包括:半片、反光膜、多主柵、疊瓦、三角焊帶拼片、多主柵疊瓦等技術(shù)。半片及反光膜技術(shù)升級簡單、已普及量產(chǎn),但提效有限,兩者疊加后可提升8-9W;多主柵疊加半片技術(shù)可提升組件功率10-15W,處于快速擴張中;疊瓦技術(shù)可提升組件功率20W以上,但技術(shù)門檻高、投資成本高、封裝損失高、專利風(fēng)險及設(shè)備成熟度有待提高等限制了大規(guī)模應(yīng)用;三角拼片、多主柵疊瓦可提升組件功率25W以上,正處于實驗或小規(guī)模量產(chǎn)階段,設(shè)備穩(wěn)定性、技術(shù)可靠性及市場接受度有待進一步驗證。
圖1.4 不同組件技術(shù)提效對比(來源英利公開報告)
第三,電池成本快速降低、非硅成本占比越來越高。圖1.5展現(xiàn)了組件成本結(jié)構(gòu)的變遷歷史,2010年電池成本占比高達91%、非硅成本占9%,2018年電池成本占比降至49%、非硅成本則增至51%。同時由于非硅材料成本已趨于極限,因而降低單瓦材料封裝成本可有效降低組件成本,從而促進光伏發(fā)電平價上網(wǎng)。
圖1.5 不同年份組件成本對比(來源SolarWit公眾號)
正是基于以上原因,同時大尺寸硅片具有獨特優(yōu)勢:一是兼容性好,與多主柵半片、疊瓦、拼片等組件技術(shù)兼容;二是大幅提升組件功率12W-100W,顯著降低電池及組件端制造及非硅成本,同時有效降低電站系統(tǒng)投入和度電成本。因而迅速成為市場主流。
根據(jù)CPIA最新預(yù)測,2022年大尺寸硅片將完全占據(jù)市場、M2硅片將退出歷史(圖1.6),同時2019年IEC TC82/WG8會議在原156.75mm基礎(chǔ)上新增158.75mm、166mm兩種大尺寸硅片作為行業(yè)推薦使用標(biāo)準尺寸。
圖1.6 2019-2025 年不同尺寸硅片市場占比變化趨勢(來源CPIA)
大尺寸硅片路線之抉擇
上文已經(jīng)闡述大尺寸硅片的應(yīng)用可降低度電成本、大規(guī)模普及勢在必行,那么是否硅片尺寸是否越大越好?大尺寸會帶來哪些機遇和挑戰(zhàn)?哪種尺寸會成為行業(yè)主流?接下來我們將從半導(dǎo)體、收益對比、供應(yīng)鏈、量產(chǎn)、可靠性、系統(tǒng)端等角度分析。
半導(dǎo)體行業(yè)12英寸主流、18英寸已初見端倪
眾所周知,光伏硅片與半導(dǎo)體硅片技術(shù)極為相似,早期光伏硅片尺寸標(biāo)準主要源自半導(dǎo)體硅片行業(yè)。在摩爾定律的驅(qū)動下,半導(dǎo)體行業(yè)硅片尺寸從初始的4英寸發(fā)展到主流的12英寸。1980年代4英寸占主流,1990年代是6英寸占主流,2000年代8英寸占主流,目前主流的12英寸硅片預(yù)計在2022年達到市場份額的峰值,后續(xù)將朝著18英寸過渡。
圖2.1 半導(dǎo)體硅片尺寸變化趨勢(來源上海交通大學(xué)公開報告)
但是半導(dǎo)體硅片技術(shù)與光伏硅片技術(shù)仍存在一定差異性。一方面,半導(dǎo)體硅片在摩爾定律驅(qū)動下每18個月芯片數(shù)量增加一倍,制造成本越來越高,因而硅片尺寸擴大、單片芯片數(shù)量增加是降低成本的必由之路。而光伏硅片尺寸增大是由于硅片價格的大幅下跌、平價上網(wǎng)壓力、其它降本技術(shù)乏力所共同推動的。另一方面,半導(dǎo)體硅片需切割成n個芯片、單獨封裝使用,而光伏領(lǐng)域則是將n個硅片串聯(lián)后封裝使用。
模仿借鑒是實現(xiàn)創(chuàng)新的前提準備、量變的積累和質(zhì)變的必然。早期光伏處于起步階段,需參考借鑒半導(dǎo)體行業(yè)經(jīng)驗,但隨著光伏領(lǐng)域多年高速成長、經(jīng)驗積累、科技創(chuàng)新,光伏硅片尺寸的發(fā)展方向必然會走出適合自身的發(fā)展道路。
G12大硅片降本最多、G1硅片最低
針對三種尺寸硅片進行不同維度對比詳見表2.1:硅片面積G12、M6較G1分別高75%、8.8%,組件功率則分別提升21.5%、8.8%(G12組件為50版型);G12、M6組件較G1組件可實現(xiàn)降本9.4%、2.9%;系統(tǒng)端BOS投入則實現(xiàn)3.4%、1.9%的成本節(jié)約,并助力LCOE分別降低6.5%、1.9%。
因而從收益角度G12硅片最具優(yōu)勢、M6其次。
表2.1 三種大尺寸硅片對比
G12組件設(shè)計受限,可靠性風(fēng)險增加
目前基于G1、M6硅片的組件主流采用60或72片、6串串并聯(lián)設(shè)計,而基于G12硅片的組件僅能采用50片、5串串并聯(lián)設(shè)計,這是由于窯爐出料口及鋼化爐尺寸限制、僅能滿足長2.2m、寬1.1m的玻璃量產(chǎn)。同時為保持外觀的相對一致性,G12組件設(shè)計需加接跳線(圖2.1)。
圖2.1 電路設(shè)計(左:M6組件,右:G12組件)
組件短路電流取決于電池受光面積、電路設(shè)計。G12硅片較M2硅片面積增加80.5%,單片電流即增加80.5%,若基于主流的切半設(shè)計、組件短路電流高達18.1A,已經(jīng)臨界接線盒承受極限,同時也超出逆變器的可接受范圍;即使采用三分片設(shè)計,組件短路電池降至12.3A,與G1、M6組件相比,接線盒結(jié)溫及反向熱擊穿風(fēng)險已顯著提升,同時三分切對應(yīng)單串電池數(shù)量增加,這增加了熱斑風(fēng)險及電池反向擊穿風(fēng)險,根據(jù)我們的實測及模擬結(jié)果(表2.2):G1組件在結(jié)溫、熱斑溫度最具優(yōu)勢;M6組件結(jié)溫、熱斑溫度略有增加,但仍可控;G12組件則面臨較大的風(fēng)險。同時G12組件需對電池切割2次,增加制程碎片風(fēng)險,而切邊數(shù)量及組件尺寸增加也提升了抗載荷風(fēng)險。而中節(jié)能太陽能鎮(zhèn)江量產(chǎn)的M6組件可通過3倍IEC老化測試、動載及靜載加嚴測試(圖2.2),并順利通過TUV萊茵認證。
表2.2 不同尺寸硅片組件電性能對比
圖2.2 中節(jié)能M6組件老化測試對比
G12需新建線體,M6可升級改造
本文主要從拉晶、切片、電池及組件環(huán)節(jié)進行闡述。
拉晶環(huán)節(jié),多數(shù)爐臺改造后拉棒可兼容M6,但是實現(xiàn)G12硅片拉晶需購置新爐臺。切片環(huán)節(jié),絕大多數(shù)新上金剛線劃片機可兼容M6,但是完成G12切片需購置新設(shè)備。電池生產(chǎn)環(huán)節(jié),現(xiàn)有電池產(chǎn)線可通過改造兼容M6,改造費用較低,但是完成G12電池量產(chǎn)需新建線體,成本投入高。組件生產(chǎn)環(huán)節(jié),流水線可通過改造兼容M6電池組件的量產(chǎn),但是G12組件需新建線體。
根據(jù)CPIA最新統(tǒng)計,截止2019年全國硅片、電池、組件產(chǎn)能分別為134.6GW、108.6GW、98.6GW,而其中有相當(dāng)產(chǎn)能是近兩年擴建的新產(chǎn)線,可完全滿足M6硅片、電池、組件的量產(chǎn),由于所有產(chǎn)能均不支持G12的量產(chǎn),而新建線體耗資巨大,因而市場推動力不足。
G12組件系統(tǒng)兼容性有待提升
目前電站端均支持G1、M6硅片組件的規(guī)模化安裝,對于G12硅片組件,組件版型、重量進一步增大(表2.3),對支架承重、現(xiàn)場安裝均提出更高的挑戰(zhàn);同時組串逆變器對電流要求小于13A,而G12組件基于1/3切短路電流已經(jīng)達到12.3A(表2.2),疊加雙面電池技術(shù)后短路電池更高,逆變器風(fēng)險進一步增大。
表2.3 不同尺寸硅片組件基本參數(shù)對比
硅片薄化是未來趨勢,M6更具優(yōu)勢
目前主流硅片尺寸在180μm,而硅片薄片化對于組件價格有立竿見影的作用,硅片每減薄20μm價格下降約10%,組件價格可降低5-6分/W。根據(jù)CPIA統(tǒng)計,預(yù)計2025年硅片厚度可降至140-160μm(圖2.3)。但厚度減薄的同時,更大尺寸將承擔(dān)更高的風(fēng)險,切片良率降低、厚度均勻性更難控、電池及組件制程裂片風(fēng)險增加、組件抗應(yīng)力及熱沖擊的風(fēng)險增加。目前M6已實現(xiàn)硅片、電池、組件規(guī)?;慨a(chǎn),且良率、可靠性已經(jīng)經(jīng)過上下游共同驗證,因而更具優(yōu)勢。
圖2.3 2019-2025 年硅片厚度變化趨勢(來源CPIA)
M6尺寸為當(dāng)下最優(yōu)選擇
大尺寸硅片的發(fā)展已成行業(yè)共識,關(guān)于尺寸規(guī)格的選擇百家爭鳴。由于G1對降低度電成本無顯著作用,未來將作為過渡產(chǎn)品。G12硅片的降本優(yōu)勢毋庸置疑,但當(dāng)下更應(yīng)解決的是供應(yīng)、良率、可靠性及系統(tǒng)應(yīng)用,并最終轉(zhuǎn)化為終端LCOE的降低,若只是“止于理論、脫于實際”,則很快淹沒于滾滾歷史中。M6尺寸更適配當(dāng)下,已建產(chǎn)能巨大、上下游良率及可靠性驗證、終端LCOE有效降低,預(yù)計將快速上升并在未來五年內(nèi)占據(jù)市場主流。但同時我們更要思考,光伏硅片大尺寸未來如何開辟出適合全產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展的創(chuàng)新之路、降本之路。
原標(biāo)題:現(xiàn)階段站隊166,M6尺寸為當(dāng)下最優(yōu)選擇