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M6更具优势,中节能解读硅片大尺寸的前世今生
添加日期:2020-04-01    阅读:3019次

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。

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1981-2012年,硅片尺寸以100mm125mm为主;第二阶段2012-2015年,以156mmM0)、156.75mmM2)为主;第三阶段2018年以来,出现了158.75mmG1)、161.7mmM4)、163mm166mmM6)、210mmG12)等更大尺寸硅片。

b)大尺寸快速普及

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M4M6G12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。

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;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。

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。

第三,电池成本快速降低、非硅成本占比越来越高。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。

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,同时2019IEC TC82/WG8会议在原156.75mm基础上新增158.75mm166mm两种大尺寸硅片作为行业推荐使用标准尺寸。

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。

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。

模仿借鉴是实现创新的前提准备、量变的积累和质变的必然。早期光伏处于起步阶段,需参考借鉴半导体行业经验,但随着光伏领域多年高速成长、经验积累、科技创新,光伏硅片尺寸的发展方向必然会走出适合自身的发展道路。

G12大硅片降本最多、G1硅片最低

针对三种尺寸硅片进行不同维度对比:硅片面积G12M6G1分别高75%8.8%,组件功率则分别提升21.5%8.8%G12组件为50版型);G12M6组件较G1组件可实现降本9.4%2.9%;系统端BOS投入则实现3.4%1.9%的成本节约,并助力LCOE分别降低6.5%1.9%。因而从收益角度G12硅片最具优势、M6其次。

G12组件设计受限,可靠性风险增加

目前基于G1M6硅片的组件主流采用6072片、6串串并联设计,而基于G12硅片的组件仅能采用50片、5串串并联设计,这是由于窑炉出料口及钢化炉尺寸限制、仅能满足长2.2m、宽1.1m的玻璃量产。同时为保持外观的相对一致性,G12组件设计需加接跳线。

组件短路电流取决于电池受光面积、电路设计。G12硅片较M2硅片面积增加80.5%,单片电流即增加80.5%,若基于主流的切半设计、组件短路电流高达18.1A,已经临界接线盒承受极限,同时也超出逆变器的可接受范围;即使采用三分片设计,组件短路电池降至12.3A,与G1M6组件相比,接线盒结温及反向热击穿风险已显著提升,同时三分切对应单串电池数量增加,这增加了热斑风险及电池反向击穿风险,根据我们的实测及模拟结果:G1组件在结温、热斑温度最具优势;M6组件结温、热斑温度略有增加,但仍可控;G12组件则面临较大的风险。同时G12组件需对电池切割2次,增加制程碎片风险,而切边数量及组件尺寸增加也提升了抗载荷风险。而中节能太阳能镇江量产的M6组件可通过3IEC老化测试、动载及静载加严测试,并顺利通过TUV莱茵认证。

G12需新建线体,M6可升级改造

拉晶环节,多数炉台改造后拉棒可兼容M6,但是实现G12硅片拉晶需购置新炉台。切片环节,绝大多数新上金刚线划片机可兼容M6,但是完成G12切片需购置新设备。电池生产环节,现有电池产线可通过改造兼容M6,改造费用较低,但是完成G12电池量产需新建线体,成本投入高。组件生产环节,流水线可通过改造兼容M6电池组件的量产,但是G12组件需新建线体。

根据CPIA最新统计,截止2019年全国硅片、电池、组件产能分别为134.6GW108.6GW98.6GW,而其中有相当产能是近两年扩建的新产线,可完全满足M6硅片、电池、组件的量产,由于所有产能均不支持G12的量产,而新建线体耗资巨大,因而市场推动力不足。

G12组件系统兼容性有待提升

目前电站端均支持G1M6硅片组件的规模化安装,对于G12硅片组件,组件版型、重量进一步增大,对支架承重、现场安装均提出更高的挑战;同时组串逆变器对电流要求小于13A,而G12组件基于1/3切短路电流已经达到12.3A,叠加双面电池技术后短路电池更高,逆变器风险进一步增大。

硅片薄化是未来趋势,M6更具优势

目前主流硅片尺寸在180μm,而硅片薄片化对于组件价格有立竿见影的作用,硅片每减薄20μm价格下降约10%,组件价格可降低5-6/W。根据CPIA统计,预计2025年硅片厚度可降至140-160μm。但厚度减薄的同时,更大尺寸将承担更高的风险,切片良率降低、厚度均匀性更难控、电池及组件制程裂片风险增加、组件抗应力及热冲击的风险增加。目前M6已实现硅片、电池、组件规模化量产,且良率、可靠性已经经过上下游共同验证,因而更具优势。

M6尺寸为当下最优选择

大尺寸硅片的发展已成行业共识,关于尺寸规格的选择百家争鸣。由于G1对降低度电成本无显著作用,未来将作为过渡产品。G12硅片的降本优势毋庸置疑,但当下更应解决的是供应、良率、可靠性及系统应用,并最终转化为终端LCOE的降低,若只是“止于理论、脱于实际”,则很快淹没于滚滚历史中。M6尺寸更适配当下,已建产能巨大、上下游良率及可靠性验证、终端LCOE有效降低,预计将快速上升并在未来五年内占据市场主流。但同时我们更要思考,光伏硅片大尺寸未来如何开辟出适合全产业链发展的创新之路、降本之路。

来源:中节能太阳能科技镇江有限公司

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