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继往开来——单晶技术引领光伏行业新时代

光伏电池组件  来源:北极星太阳能光伏网  作者:联合评级 工商评级二部 基础能源组  2020/1/2 10:08:39  我要投稿  

北极星太阳能光伏网讯:摘要

光伏行业在我国属朝阳行业,存在较高技术壁垒。随着市场需求的快速增长,以及政策对行业发展的积极引导,我国光伏行业快速发展,产业规模迅速扩张。本文将对光伏发电原理、全行业产业链构成、行业技术路线、以及近年来行业发展情况等方面进行简要介绍。由于光伏行业的发展受行业政策影响较大,本文将对近年来重要行业政策进行梳理,介绍国家如何通过政策对行业发展进行引导及干预。此外,为实现光伏发电的“平价上网”,近年来全行业参与者的成本控制能力面临严峻挑战。本文将介绍光伏行业产业链各环节的成本构成,对相关产品的价格进行分析,并对不同技术路线下相关产品的价差进行分析。在此基础上,本文将在一定的假设前提下,通过简单的模型测算,判断在目前市场环境下,何种技术路线更具优势。最后,本文例举了在产业链各环节中,市场参与者所应用的最新的降本增效手段。

一、概况

1.光伏发电原理及产业链介绍

光伏发电是利用半导体界面的光产生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术;当光线照射太阳能电池表面时,一部分光子被硅材料吸收;光子的能量传递给硅原子,使电子发生越迁,成为自由电子在P-N结两侧集聚形成电位差,当外部接通电路时,在该电压的作用下,将会有电流流过外部电路产生一定的输出功率,此过程为光子能量转变为电能的过程。

图1光伏发电原理示意图

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资料来源:文献检索

光伏发电系统为利用光伏发电原理,将太阳能电池经过串联后进行封装保护,形成大面积的太阳电池组件方阵,使得方阵电压达到系统输入电压的要求,再通过逆变器的作用,将直流电转换为交流电,输送至电力变压器,通过变压器进行升压将电脑能输送到高压电网。

图2光伏发电系统示意图

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资料来源:文献检索

光伏行业产业链较长,且存在单晶及多晶两大技术路线。随着行业的发展及政策的引导,全产业链的综合成本不断下行,未来全球单晶相关产品市场份额将快速上升,并完成对多晶技术路线的替代。

光伏行业产业链相对较长,其中主要由硅料、硅棒及硅锭制造、电池片及组件制造、电站开发运营等基本环节构成。如下图所示,光伏行业产业链自上游中段开始出现单晶拉棒、多晶铸锭的两大技术路线,以及向下游衍生的光伏产品,最终单晶硅棒及多晶硅锭均经过加工制造成为光伏电池组件。

图3光伏行业产业链示意图

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资料来源:文献检索

光伏行业发展至今,“单多晶之争”是伴随行业发展的一大重要话题,两大产品线的综合成本和发电效率直接影响着相关产品的市场占有率,从而影响相关企业的发展。目前看,单晶技术路线制造的光伏电池组件,具有更高的光电转换效率,但以单晶为原材料的各类光伏产品价格较高。

从全球市场份额来看,2017年全球单晶产品市场份额仅为28%,但2018年快速攀升至46%。根据PV Info Link的预测,2019年全年全球单晶产品市场份额将达到62%,市场占有率将首次超越多晶产品。2023年,全球单晶产品市场占有率将接近90%,多晶产品面临被完全替代的风险。

从国内市场份额来看,2018年全国单晶硅市场份额为45%,根据中国光伏业协会预测,2019年全年全国单晶硅片市场份额将超过50%。随着异质结HJT电池、N型PERT电池的应用推广,N型单晶硅片的市场份额也将逐年提高。而多晶硅片的市场份额未来将逐步下降。铸锭单晶技术在2018年有了技术突破,由于其转化率更接近单晶技术,且成本方面较传统多晶有一定优势,其市场份额有望增加,中国光伏业协会在统计中将铸锭单晶硅片合并在了多晶硅片中。但即使铸锭单晶会在短期内助力多晶市场的发展,从长远来看,2025年我国单晶硅电池市场占有率将超过70%,仍大幅超过多晶电池的市占率。考虑到该统计中多晶硅片包含铸锭单晶产品,因此在2025年我国多晶硅片实际市场占有率将远低于30%,国内市场亦将完成单晶对多晶的替代。

综上,随着光伏行业发展的日趋成熟以及行业政策的积极引导,产业链综合成本快速下行,单晶产品技术路线优势逐渐显现。光伏行业中单晶产品的市场份额大幅提升,并将迅速完成对多晶的替代。未来单晶相关产品将成为光伏发电行业的主流。

图4 2017-2023年全球单晶产品市场占比预测

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数据来源:PV Info Link

图5 2018-2025年全国单晶产品市场占比预测

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数据来源:中国光伏业协会

2.技术路线介绍

光伏行业对技术进步依赖程度较高,不断降低生产成本及增加光电转换效率是行业内参与者提升竞争力的重要手段。目前产业链各环节参与者均在积极尝试各种手段实现降本增效。

上游方面,在拉棒环节中,目前主要应用的技术为改良西门子法,该方法可在拉棒环节提高单炉投料量和拉晶效率,从而降低拉棒成本;在切片环节中,目前主要通过金刚线切割技术代替砂浆切割进行硅片制造,以减少损耗、减薄硅片来提高出片率,从而降低切片成本。此外,在薄片化的基础上,业内参与者仍在不断尝试通过增加硅片尺寸以实现效率的提升,从而摊薄成本。

中游方面,在电池片环节,太阳能电池片的生产过程是将硅片生产成能够实现光电转换的太阳能电池片的过程,该生产过程对光伏下游应用端产品的性能、成本等关键指标起着至关重要的作用。电池片的光电转换效率也成为了体现晶体硅太阳能发电系统技术水平的关键指标。目前我国太阳能电池技术路线逐步由BSF铝背场工艺向P型高效(PERC、黑硅技术)和N型高效(PERT、HIT及IBC技术等)转移,从而实现转换效率的提升。如下表所示,各类电池片转换效率逐年增长,且单晶路径电池转换效率明显高于多晶路径电池转换效率;在组件环节,组件的CTM值越高表示组件封装功率损失的程度越小。采用陷光玻璃、半片及叠片技术,多主栅(MBB)技术、反光焊带等封装技术,均可提升CTM值,甚至超过100%。

注:

具有本征非晶层的异质结(Heterojunction with intrinsic thin layer)——在电池片里同时存在晶体和非晶体级别的硅,非晶硅的出现能更好地实现钝化效果。

发射极钝化和全背面扩散(Passivated emitter rear totally-diffused)——PERC技术的改进型,在形成钝化层基础上进行全面的扩散,加强钝化层效果。

改良西门子法其原理是在1100℃左右的高纯硅芯上用高纯氢还原高纯三氯氢硅,生成多晶硅沉积在硅芯上。改良西门子工艺是在传统的西门子工艺的基础上,同时具备节能、降耗、回收利用生产过程中伴随产生的大量H2、HCI、SiCI4等副产物以及大量副产热能的配套工艺。

铝背场电池(Aluminium back surface field)——为改善太阳能电池的效率,在P-N结制备完成后,在硅片的背光面沉积一层铝膜,制备P+层,称为铝背场电池。

发射极钝化和背面接触(Passivated emitter and rear contact)——利用特殊材料在电池片背面形成钝化层作为背反射器,增加长波光的吸收,同时增大P-N极间的电势差,降低电子复合,提高效率。

交指式背接触(Interdigitated back contact)——把正负电极都置于电池背面,减少置于正面的电极反射一部分入射光带来的阴影损失。

CTM值(Cell To Module)为衡量电池封装成为组件过程中的功率损失,即用组件额定功率与电池片功率总和的比值来表示。


表1 2018-2025年各类电池转换效率变化趋势及预测(单位:%)

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资料来源:中国光伏业协会

下游方面,电站建设成本的降低不仅依赖于光伏产品成本的下降,也受非技术成本(如土地成本、电网接入成本等)和融资成本的影响,在光伏行业产品端不断进行降本增效的同时,行业参与者亦不断尝试通过其他手段降低电站建设的综合成本,但组件、硅片价格的变动,仍是影响成本的最大因素。


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