單多晶組件對比分析

李濤祥

摘 要：近年來，隨著國家能源結構調整力度的不斷加大，我國在光伏新能源項目建設速度加快，裝機容量迅速增加。在未來五年之內，是完成中國能源轉型的關鍵時期，光伏如何快速達到平價上網(wǎng)，依賴各大光伏制造企業(yè)的不斷努力和國家電力體制改革的不斷深化。對于光伏制造企業(yè)，將完成產(chǎn)品成本下降、組件功率提升、質量保障提升、系統(tǒng)優(yōu)化等各方面進步，使光伏度電成本大幅度下降。本文通過對單晶、多晶組件的對比，分析單晶、多晶在應用中的優(yōu)勢。

關鍵詞：單晶硅；多晶硅；效率

中圖分類號：TM914.4 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）03-0155-02

太陽能光伏發(fā)電的最核心器件是太陽電池，商用的太陽能電池主要包括單晶硅太陽能電池、多晶硅太陽能電池、非晶硅太陽能電池、碲化鎘電池、銅銦硒電池等。單晶硅、多晶硅太陽電池由于制造技術成熟、產(chǎn)品性能穩(wěn)定、使用壽命長、光電轉化效率相對較高的特點，被廣泛應用于大型并網(wǎng)光伏電站項目。

1 單晶硅和多晶硅的區(qū)別

當熔融的單質硅凝固時，硅原子以金剛石晶格排列成許多晶核，如果這些晶核長成晶面取向相同的晶粒，則形成單晶硅。如果這些晶核長成晶面取向不同的晶粒，則形成多晶硅。多晶硅與單晶硅的差異主要表現(xiàn)在物理性質方面。

單晶和多晶的生產(chǎn)制造工藝是不一樣的，成分也有所不同，但是最后做成成品（太陽能電池板）使用效果是差不多的，08年之前兩者的區(qū)別在于光電轉換率不同，單晶一直比多晶轉換效率高，即使在實驗室還是這種情況，另外單晶的材質要比多晶的好，在生產(chǎn)過程中不容易損壞，另外在外觀上，單晶一般都是單色的（常規(guī)的是藍色和黑色。國外基本都是藍色多，國內的大多表面是藍色，但在層壓后顏色會變成黑色，）多晶顏色很雜，既有單色藍色，也有彩色的。

1.1 單多晶硅片性能對比

單晶硅片與多晶硅片在晶體品質、電學性能、機械性能方面有顯著差異。單晶和多晶的差別主要在于原材料的制備方面，單晶是直拉提升法，多晶是鑄錠方法，后端制造工藝只有一些細微差別。

單晶和多晶硅片的差異還在于硅片性質，其差異性是決定單晶和多晶系統(tǒng)性能差異的關鍵。單晶硅片是一種完整的晶格排列；多晶硅片是多個微小的單晶的組合，中間有大量的晶界，包含了很多的缺陷，它實際上是一個少子復合中心，因此降低了多晶電池的轉換效率。另一方面，單晶硅片的位錯密度和金屬雜質比多晶硅片小得多，各種因素綜合作用使得單晶的少子壽命比多晶高出數(shù)十倍，從而表現(xiàn)出轉換效率優(yōu)勢。

單晶是一種完整的晶格排列，在同樣的切片工藝條件下表面缺陷少于多晶，在電池制造環(huán)節(jié)，單晶電池的碎片率也是小于1%的，通常情況下是0.8%左右。單晶硅片可以穩(wěn)定應用金剛線切割工藝，顯著降低切片成本，并提高電池轉換效率。對多晶而言，晶體結構的缺陷導致在電池環(huán)節(jié)的碎片率一般大于2%，并且硅片切割工藝的改進難度很大，因為它沒法用金剛線切割，只能用傳統(tǒng)的砂線來切，成本上基本沒有多大的下降空間。

1.2 機械性能差異

多晶硅片在電池的生產(chǎn)和運輸過程中更容易破碎。我們今天講電站的質量問題，很重要的一點，組件在運輸安裝過程中可能產(chǎn)生電池片破碎、隱裂等問題，相對多晶而言，單晶在運輸中的抗破壞性能比較好。另外，在電站長期的高低溫交替過程中，多晶組件更容易發(fā)生隱裂，這樣就降低了組件的輸出功率。

1.3 轉換效率對比

影響轉換效率的3項主要參數(shù)是：Voc（開路電壓）、Isc（短路電流）、FF（填充因子），公式為：Eta=Voc×Isc×FF。

從光電轉換效率參數(shù)分解來看，單晶電池的各項參數(shù)全面領先于多晶。一般來講目前工藝下國內單晶電池量產(chǎn)效率是19.55%左右，做得好的話可以達到19.8%-19.9%，取決于它是三柵線還是四柵線；多晶電池量產(chǎn)效率一般是18.12%左右。

在實驗室記錄方面，單晶技術潛力的優(yōu)勢更加顯著。多年前澳大利亞新南威爾士大學開發(fā)出的P型單晶硅電池（PERL）最高轉換效率可達25%，這一紀錄多年沒有被打破。PERL與我們現(xiàn)在做的PERC差別就在于，PERL在BSF上不使用鋁擴散，而是采用了硼擴散，因此轉換效率比PERC更高一點。單晶硅電池在各項主要參數(shù)上均全面高于多晶硅電池，在未來高效率發(fā)展方面具有更大的潛力。

1.4 制程差異

在制程方面，單晶比多晶更環(huán)保、成本更低。電池的制程工藝包括制絨、擴散、刻蝕、鍍膜、印刷、燒結等，單晶電池和多晶電池的制備工藝主要差別在制絨環(huán)節(jié)，其余環(huán)節(jié)僅僅是控制標準的差異。

單晶制絨采用堿溶液腐蝕，腐蝕過程中產(chǎn)生硅酸鹽和氫氣副產(chǎn)物，通過應用制絨輔助液代替或部分代替異丙醇（IPA），可實現(xiàn)更低的BOD、COD污水排放，且單晶制絨體系對于設備硬件的要求很低，更容易實現(xiàn)環(huán)保和工藝控制。

多晶采用酸溶液腐蝕，需要使用高濃度的硝酸和氫氟酸，主要副產(chǎn)物為氟硅酸和NOx，而Nox是一種很難徹底處理的大氣污染物，考慮到這些因素，需要使用嚴格封閉的自動化設備。多晶制絨的設備購置和維護成本遠高于單晶。

1.5 溫度系數(shù)對比

單晶材料沒有晶界，材料純度高，內阻小，溫度升幅較??；另一方面，多晶電池的光電轉換效率較低，它將更多的光能轉換為熱能而非電能，也導致多晶的溫度升高更明顯。在最高光強下，單晶工作溫度比多晶低5～6℃左右，部分地區(qū)的多晶工作溫度可以比單晶高出10℃以上，因而多晶的功率損失較大，單晶的功率損失較小。

從溫度系數(shù)本身來看，單晶溫度系數(shù)是略低于多晶的，因此同樣升高1℃的情況下單晶功率損失也少于多晶。

2 PERC電池技術簡述

幾年前光伏工業(yè)界把高效電池的注意力主要放在選擇性發(fā)射極電池技術，現(xiàn)在業(yè)內不再做選擇性發(fā)射極電池而更加關注PERC電池，因為選擇性發(fā)射極電池主要是提高了短波段吸收能力，但是反映在組件上，由于EVA本身吸收的也是紫外光的短波段，所以它在組件方面沒有體現(xiàn)出明顯優(yōu)勢，選擇性發(fā)射極技術就被淘汰了。而PERC電池主要是表現(xiàn)在近紅外、紅外波段的吸收，而EVA不吸收紅外波段的太陽能，所以PERC技術更好的把電池效率的提升反應到到組件效率的提升。

2.1 PERC電池具有以下特點

（1）電池效率絕對值在單晶上可提高1%，在多晶上可提高0.5%，因此在單晶上采用PERC技術優(yōu)勢更大。（2）PERC技術具有與現(xiàn)有產(chǎn)線兼容度高，易于進行產(chǎn)線升級，并可降低電池片每瓦成本。（3）PERC電池已經(jīng)成為行業(yè)主流技術并逐步替代常規(guī)電池。（4）通過工藝優(yōu)化，在近1-2年內可逐步將量產(chǎn)效率提升至21%，SolarWorld公司近期在實驗室的P型單晶硅PERC電池效率已經(jīng)達到了21.7%。

以上所述的為P型PERC電池技術，下一代的N型PERC技術，不僅可以解決LID的問題，而且量產(chǎn)轉換效率可以進一步提升至22%。

2.2 IBC電池技術簡述

IBC電池也是采用N型單晶硅片生產(chǎn)，目前實驗室最高效率可達到25%，量產(chǎn)平均效率23%。它最大的特點是制程比較復雜，目前有十六七道的制程工藝，成本比較高昂，限制了該技術的發(fā)展。目前工業(yè)界著重開發(fā)低成本IBC技術。松下將IBC和HIT技術相結合，創(chuàng)造了新的轉換效率世界紀錄，高達25.6%。它的開路電壓達到740mV，Jsc是41.8mA/cm2，F(xiàn)F是82.7%，硅片厚度是150μm。IBC電池的應用示例：陽光動力2號采用高效N型IBC單晶電池覆蓋機翼，轉換效率23%，完全依靠太陽能電力完成環(huán)球飛行。

3 單多晶電站投資收益對比

目前60片封裝的高功率組件，單晶量產(chǎn)功率為280W，多晶量產(chǎn)功率為275W，單晶組件價格為3.20元/W左右，多晶為2.98元/W左右。由于單晶組件在每個方陣中使用的數(shù)量較少，有效節(jié)約了支架、夾具、匯流箱、光伏電纜、基礎工程、安裝工程等，因此在總的投資成本上，單晶系統(tǒng)與多晶系統(tǒng)基本相同。

在電站營運層面，單晶比多晶能節(jié)約5%的土地租金和6%的運維成本，而單晶每瓦發(fā)電量至少比多晶高3%，那么在25%資本金比例、15年貸款年限的融資結構下，我國中部地區(qū)投資單晶電站的資本金內部收益率IRR會比投資多晶電站高出至少2.78%以上。

4 結語

目前為止經(jīng)歷過長期運行考驗的電站絕大多數(shù)采用單晶組件，目前國內有大量的電站運行實例，證明在同一地區(qū)、同樣的建設條件和BOS條件下，每瓦單晶發(fā)電量顯著高于多晶。