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从结构、衰减、性能透析单晶与多晶本质

更新时间:2016年03月15日

多晶的本质是一种有瑕疵的单晶

历史上最早用于生产太阳能电池的硅片并不像今日使用专门的设备生产的单晶硅片或者多晶硅片,而是使用半导体晶圆的边角余料或者残次品,价格相当昂贵。随着半导体晶圆的合格率逐渐提高,市场可供应的残次品晶圆越来越少。当人们希望普及硅基太阳能电池的时候,还没有出现专门的太阳能单晶硅生产设备,半导体晶圆生产太阳能电池的成本令人望而生畏,人们转而使用浇铸、铸锭、定向凝固的方法生产晶体硅锭,这就是所谓“多晶硅片”的来源,虽然品质较差,但成本有了明显下降。到上世纪80年代初期,专门用于生产太阳能单晶硅的技术逐渐成熟,这一时期,欧洲、美国、中国诞生了大量10KW以上、1MW以上的太阳能电站,这些电站上使用单晶硅生产的组件至今仍在稳定发电,30年的累计衰减还不到20%,足见单晶功率的稳定性。

单晶电池和多晶电池的初始原材料都是原生多晶硅,类似于微晶状态存在。要具备发电能力,就必须将微晶状态的硅制成晶体硅,而晶体硅的晶向需要精确控制。单晶电池和多晶电池在制程上唯一无法轻易互换的就是晶体生长环节。在这个环节,原生多晶硅在单晶炉内会生产成单一晶向、无晶界、位错缺陷和杂质密度极低的单晶硅棒,如下图所示:

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多晶晶体的生长工艺本身决定了它无法生长出大面积单一晶向的晶体(单晶),多晶的本质就是大量的小单晶的集合体,如下图所示:

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多晶铸锭的小单晶颗粒之间的晶界会降低电池的发电能力,多晶铸锭本身简单粗暴的工艺使得它更容易大规模扩张,但是却无法将位错缺陷和杂质密度控制在较低水平,这些要素无一不在影响着多晶的少数载流子寿命。

 

组件功率衰减分为初始光衰和长期衰减两类,单晶综合性能优异

 

在组件封装材料可靠的前提下,影响单晶组件和多晶组件可靠性差异的关键因素就是功率衰减指标。它分为初始光衰和长期衰减两类。人类最早从1970年代前后研究组件衰减问题,经过数十年探索发现,单晶和多晶在这两类衰减上表现有很大差异。

目前的单晶电池以P型为主,这种电池在日照2-3周后会发生2%~3%的快速功率衰减,原因是晶体生长中使用硼作为掺杂剂,同时有较多的氧原子混杂,替位硼和间隙氧在光照下激发形成较深能级缺陷,引起载流子复合和电池性能衰退。但是,这种衰退在退火作用下是可以恢复的。太阳能电池的功率在4个月或更长时间(取决于日照强度和时间)内会发生恢复,到1年后,累计衰减大约是2.5%~3%,并趋于稳定。

多晶电池不存在上述问题,但是由于本身无法克服的高杂质浓度和位错缺陷的影响,在日照下电池性能会持续衰退到3%左右,并且不会出现恢复现象。

目前市场上多晶组件功率保证是第1年97%~97.5%,25年80%,也就是说,第一年初始光衰稳定后,以后每年衰减0.71%~0.73%。单晶组件由于使用完美晶体结构的硅材料,内部结构更为稳定,第1年功率保证是97%,25年保证83.8%,第2~25年平均每年衰减仅0.5%,这些指标是组件厂商可以写入合同的保证值,也是保险公司愿意承保的指标。如果多晶组件提出25年功率保证高于单晶,保险公司也很难答应。

 

单晶优势无法超越

 

在过去几十年内,无论单晶电池还是多晶电池,生产工艺都非常粗糙,没有把晶体硅材料的性能充分发挥出来,转换效率的差异也不太明显。随着技术不断进步,晶体硅材料的发电性能利用程度不断被刷新,由于单晶材料本身的高品质特征、多晶材料本身无法克服的高位错密度和高杂质缺陷,每一种新技术的导入都必然引致单晶相对多晶的转换效率优势扩大。目前P型单晶相对多晶的平均转换效率优势是1.5个百分点,当PERC技术实现产业化时,单晶效率提升了0.8-1个百分点,多晶效率只能提升0.5-0.6个百分点。今后,IBC、HIT等更多高效技术会导入产业化应用,单晶的优势还会进一步扩大。

 

个体优势与整体优势

 

单晶相对多晶的优势是整体优势。不排除个别企业在单晶领域技术落后,以3-5年之前的单晶技术和现在的多晶技术比较,在这种个体情况下,单晶的功率稳定性和转换效率可能会体现出一定的劣势。如果放在同一基准线上,在组件功率相差15瓦的情况下,单晶和多晶价格差异将被EPC成本差异所覆盖,单晶电站投资成本低于多晶。不排除市面上能够看到极少量的270W、275W或更高功率的多晶组件(60片电池封装规格,下同),但是它的组件成本必然会高于275W单晶组件,并且1-2年内必然无法批量供应。简而言之,光伏发电是一项系统工程,能够实现产业化和规模化供应的、具有性价比优势的技术路线才是市场竞争中的王者,单纯追求价格优势或者某一方面概念优势的技术只能作为一个特定时期的过渡。

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