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近两年光伏最热门话题之一当属硅片尺寸之争,毋庸置疑的是,大尺寸硅片成为行业发展趋势。今日我们将结合硅片尺寸发展历程、当下各硅片尺寸对比等,与各位同仁分享中节能太阳能科技(镇江)有限公司(以下简称中节能太阳能镇江)在大硅片尺寸组件上的探索。
一、大尺寸已成行业趋势
(a)硅片尺寸发展历程
硅片尺寸经历了三次主要的变革:第一阶段1981年-2012年,硅片尺寸以100mm、125mm为主;第二阶段2012年-2015年,以156mm(M0)、156.75mm(M2)为主;第三阶段2018年以来,出现了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年以来,硅片尺寸快速迭代,18年晶科率先推出G1硅片,19年韩华、隆基、中环相继推出M4、M6、G12硅片,大硅片迅速成为市场新宠,并成为改造、新建车间的基本前提。
一方面,平价上网迫在眉睫。
根据IRENA最新统计,全球光伏发电平均度电成本仍高于传统化石燃料(图1.1),光伏装机容量仍需财政补贴才能实现稳量增长,截止2018年底中国财政补贴累计拖欠2000亿元(包含风电和生物质发电),因而2018年以来相继出台了《关于推进风电、光伏发电无补贴平价上网项目建设的工作方案(征求意见稿)》《关于完善光伏发电上网电价机制有关问题的通知》《关于2019年风电、光伏发电项目建设有关事项的通知》等相关文件以促进光伏平价上网。美国、法国、德国也相继出台各项政策以推动光伏平价上网。
图1.1不同发电度电成本对比(来源IRENA,2019.11)
另一方面,高功率组件可有效降低度电成本,但存在诸多限制。
第一,高效电池技术的应用可显著提升组件功率,但近年量产的多晶PERC、铸锭单晶PERC、单晶PERC等效率增速逐年降低,因而降本空间越来越小(图1.2);同时高效电池需进行多种技术优化及叠加,以单晶PERC电池为例,从23%提至24%,量产成本反而可能增高(图1.3)。
图1.2 各类型电池技术平均转换效率(来源CPIA数据整理)
图1.3 单晶PERC电池效率提升路线(来源隆基公开报告)
第二,高效组件技术百家齐放,目前仅多主栅半片技术实现大规模化量产,虽然提升组件功率10-15W,但是产生的收益仍无法满足市场降本需求。
组件提效技术主要包括:半片、反光膜、多主栅、叠瓦、三角焊带拼片、多主栅叠瓦等技术。半片及反光膜技术升级简单、已普及量产,但提效有限,两者叠加后可提升8-9W;多主栅叠加半片技术可提升组件功率10-15W,处于快速扩张中;叠瓦技术可提升组件功率20W以上,但技术门槛高、投资成本高、封装损失高、专利风险及设备成熟度有待提高等限制了大规模应用;三角拼片、多主栅叠瓦可提升组件功率25W以上,正处于实验或小规模量产阶段,设备稳定性、技术可靠性及市场接受度有待进一步验证。
图1.4不同组件技术提效对比(来源英利公开报告)
第三,电池成本快速降低、非硅成本占比越来越高。图1.5展现了组件成本结构的变迁历史,2010年电池成本占比高达91%、非硅成本占9%,2018年电池成本占比降至49%、非硅成本则增至51%。同时由于非硅材料成本已趋于极限,因而降低单瓦材料封装成本可有效降低组件成本,从而促进光伏发电平价上网。
图1.5 不同年份组件成本对比(来源SolarWit公众号)
正是基于以上原因,同时大尺寸硅片具有独特优势:一是兼容性好,与多主栅半片、叠瓦、拼片等组件技术兼容;二是大幅提升组件功率12W-100W,显著降低电池及组件端制造及非硅成本,同时有效降低电站系统投入和度电成本。因而迅速成为市场主流。
根据CPIA最新预测,2022年大尺寸硅片将完全占据市场、M2硅片将退出历史(图1.6),同时2019年IEC TC82/WG8会议在原156.75mm基础上新增158.75mm、166mm两种大尺寸硅片作为行业推荐使用标准尺寸。
图1.6 2019-2025 年不同尺寸硅片市场占比变化趋势(来源CPIA)
二、大尺寸硅片路线之抉择
上文已经阐述大尺寸硅片的应用可降低度电成本、大规模普及势在必行,那么是否硅片尺寸是否越大越好?大尺寸会带来哪些机遇和挑战?哪种尺寸会成为行业主流?接下来我们将从半导体、收益对比、供应链、量产、可靠性、系统端等角度分析。
半导体行业12英寸主流、18英寸已初见端倪
众所周知,光伏硅片与半导体硅片技术极为相似,早期光伏硅片尺寸标准主要源自半导体硅片行业。在摩尔定律的驱动下,半导体行业硅片尺寸从初始的4英寸发展到主流的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英寸硅片预计在2022年达到市场份额的峰值,后续将朝着18英寸过渡。
图2.1 半导体硅片尺寸变化趋势(来源上海交通大学公开报告)
但是半导体硅片技术与光伏硅片技术仍存在一定差异性。一方面,半导体硅片在摩尔定律驱动下每18个月芯片数量增加一倍,制造成本越来越高,因而硅片尺寸扩大、单片芯片数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价格的大幅下跌、平价上网压力、其它降本技术乏力所共同推动的。另一方面,半导体硅片需切割成n个芯片、单独封装使用,而光伏领域则是将n个硅片串联后封装使用。
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