新型高效光伏組件技術(shù)對(duì)比及經(jīng)濟(jì)性分析

王大才,曾 杰,陳衛(wèi)鵬

(1.大唐海南能源開發(fā)有限公司,海南 ?？?570100; 2.長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司,湖北 武漢 430010)

0 引 言

光伏電池技術(shù)的發(fā)展歷程最早可追溯到19世紀(jì)末,第四代光伏電池于2000年后開始使用,且種類多樣,包括有機(jī)材料、無(wú)機(jī)材料和混合材料,可以實(shí)現(xiàn)高效率和長(zhǎng)壽命的結(jié)合,效率已經(jīng)超過(guò)26%[1]。

隨著中國(guó)“四個(gè)革命、一個(gè)合作”的能源安全戰(zhàn)略重要論述的提出,以及中國(guó)2030年實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰規(guī)劃的目標(biāo),中國(guó)光伏行業(yè)協(xié)會(huì)預(yù)測(cè),“十四五”期間,中國(guó)年均光伏新增裝機(jī)規(guī)模預(yù)計(jì)達(dá)到70～90 GW。碳中和目標(biāo)下,在市場(chǎng)需求以及政策鼓勵(lì)的雙重推動(dòng)下,光伏發(fā)電呈現(xiàn)爆發(fā)性增長(zhǎng)[2]。

本文結(jié)合中國(guó)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型和構(gòu)建清潔低碳、安全高效的現(xiàn)代能源體系目標(biāo),總結(jié)了新型高效光伏組件的發(fā)展,以光伏組件轉(zhuǎn)換效率提升為主線,從單晶替代多晶、N型替代P型的行業(yè)發(fā)展實(shí)際,引入新型高效N型光伏電池技術(shù)介紹,重點(diǎn)分析了新型高效N型TOPCon組件的特點(diǎn)與主要優(yōu)勢(shì),并以海南100 MW光伏項(xiàng)目工程為例,分析N型組件設(shè)計(jì)方案經(jīng)濟(jì)性。

1 新型高效光伏組件市場(chǎng)趨勢(shì)

光伏組件技術(shù)發(fā)展迅猛,主要包括單晶硅組件、多晶硅組件、薄膜組件。由于單晶硅光伏組件光電轉(zhuǎn)換率較高,其量產(chǎn)PERC組件轉(zhuǎn)換效率已超過(guò)21%,在弱光條件下表現(xiàn)比同類產(chǎn)品更好,占據(jù)絕大多數(shù)市場(chǎng)份額。從技術(shù)原理上講,單晶硅組件分為P型組件和N型組件,硅片摻雜磷元素的是N型,摻雜硼元素的是P型。從技術(shù)路線上講,N型組件具有轉(zhuǎn)換效率更高、衰減率更低等優(yōu)勢(shì),是新型高效組件技術(shù)未來(lái)的發(fā)展方向。當(dāng)前領(lǐng)先的組件廠商已開啟N型組件大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用和推廣,其量產(chǎn)N型組件轉(zhuǎn)換效率已超過(guò)22%。未來(lái)隨著生產(chǎn)成本的降低及良率的提升,市場(chǎng)需求開始偏向高效產(chǎn)品,新型高效光伏組件將加快創(chuàng)新和突破[2]。隨著太陽(yáng)能電池技術(shù)的不斷發(fā)展和優(yōu)化,太陽(yáng)能電力的成本將繼續(xù)降低,其在能源行業(yè)的地位日益重要。

2 新型高效光伏組件發(fā)展

2.1 技術(shù)發(fā)展

單晶硅電池逐漸代替多晶硅電池,當(dāng)前P型PERC電池為市場(chǎng)主流產(chǎn)品,并趨近理論轉(zhuǎn)換效率極限(24.5%),很難再有大幅提升,面臨技術(shù)替換升級(jí)。隨著光伏技術(shù)的持續(xù)突破,高效率、低衰性、耐高溫、收益率更高的N型電池應(yīng)運(yùn)而生。從光伏電池技術(shù)發(fā)展路線看,由P型單晶電池轉(zhuǎn)換效率17.5%～18.7%,發(fā)展到P型單晶PERC電池轉(zhuǎn)換效率21.2%～23%,最后發(fā)展到單晶N型電池24.5%～26%,光伏電池技術(shù)路線見(jiàn)圖1。2021年,規(guī)?；a(chǎn)的P型單晶電池均采用PERC 技術(shù),平均轉(zhuǎn)換效率達(dá)23.1%,N型TOPCon電池平均轉(zhuǎn)換效率達(dá)24%,HIT電池平均轉(zhuǎn)換效率達(dá)24.2%,IBC電池平均轉(zhuǎn)換效率達(dá)24.1%[2-3]。

圖1 光伏電池技術(shù)路線Fig.1 PV cell technology roadmap

2.2 N型光伏電池

光伏組件發(fā)展正處于技術(shù)加速迭代期,發(fā)展趨勢(shì)是由P型PERC向轉(zhuǎn)換效率更高、發(fā)電量更高的N型組件轉(zhuǎn)變。N型雙面電池是以磷摻雜的硅片為基底,在硅片的正反面均進(jìn)行發(fā)射極、減反射膜以及金屬電極制備的太陽(yáng)能電池。目前N型電池主要有TOPCon、HIT、IBC[4]。

(1) TOPCon電池(隧穿氧化層發(fā)射極鈍化電池)?；谶x擇性載流子原理的隧穿氧化層鈍化接觸技術(shù),其電池采用N型硅襯底,背面為超薄氧化層+摻雜硅薄層的復(fù)合結(jié)構(gòu),形成良好的鈍化接觸結(jié)構(gòu),能有效降低表面復(fù)合和金屬接觸復(fù)合;電池背表面為H型柵線電極,可雙面發(fā)電,全面提升電池的性能。TOPCON技術(shù)理論轉(zhuǎn)化效率上限接近晶硅極限的28.7%,并且可基于現(xiàn)有PERC產(chǎn)線升級(jí)改造,因此成為目前各廠家主力開發(fā)的N型技術(shù),電池基本結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

圖2 TOPCon電池基本結(jié)構(gòu)Fig.2 Basic structure of TOPCon battery

(2) HIT電池(異質(zhì)結(jié)電池)。基于N型單晶硅和非晶硅兩種材料構(gòu)成,同時(shí)借助非晶硅材料的高帶隙性,與單晶硅接觸存在導(dǎo)帶差和價(jià)帶差,可以更有效分離載流子,提高載流子的收集效率;在電池結(jié)構(gòu)和工藝方面優(yōu)于其他電池技術(shù),無(wú)需高溫爐管制備,可降低生產(chǎn)能耗并縮短制備時(shí)間。這類電池優(yōu)勢(shì)在于超高的電池轉(zhuǎn)換效率、低制程溫度以及可向薄片化發(fā)展,有較大概率成為下一代電池主流技術(shù),其基本結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。

圖3 HIT電池基本結(jié)構(gòu)Fig.3 Basic structure of HIT battery

(3) IBC電池(背接觸電池)。電極印刷在電池背面,載流子收集于電池背面,完全消除正面柵線的遮擋損失,有效增加正面發(fā)電面積,同時(shí)背面用較寬的柵線來(lái)降低串聯(lián)電阻,提高填充因子,達(dá)到提升效率的目的,其早期光電轉(zhuǎn)換效率就超過(guò)了25%;其核心工藝是在電池背表面構(gòu)成交織排布的p+區(qū)和n+區(qū),并在背表面完成金屬化工藝,流程工序多、技術(shù)難。這類電池雖然效率高,但成本是普通電池成本的2倍,短期內(nèi)成本下降無(wú)望,只能在特定應(yīng)用場(chǎng)景具備優(yōu)勢(shì),短期量產(chǎn)有一定難度。IBC電池基本結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4。

圖4 IBC電池基本結(jié)構(gòu)Fig.4 Basic structure of IBC battery

2.3 N型TOPCon與P型PREC組件特點(diǎn)對(duì)比

(1) 硅片少子壽命。硅片摻磷,為N型襯底;硅片摻硼,為P型襯底。N型硅片少子壽命800 μs以上、P型則為70 μs以上,N型高一個(gè)數(shù)量級(jí),硅片質(zhì)量更好。

(2) 電池鈍化工藝。N型TOPCon技術(shù)背面采用單晶硅鈍化,正面采用氧化鋁鈍化;P型PREC技術(shù)背面采用氧化鋁鈍化,正面采用氮化硅鈍化;N型電池因?yàn)楣杵|(zhì)量高、界面鈍化工藝更優(yōu),電池轉(zhuǎn)換效率高出1%(絕對(duì)值)。

(3) 組件功率。以72半片雙面雙玻組件為例,標(biāo)準(zhǔn)尺寸1 134 mm×2 278 mm下,N型TOPCon組件功率為555～560 W,P型PERC組件功率為535～540 W,N型高出15～20 W。

(4) 單瓦發(fā)電量。海南文昌光伏項(xiàng)目緯度19.871 9 °N,地形平坦,年總輻射量5 482.4 MJ/m2,多年溫度23 ℃～29 ℃,反射率25%～45%,采用N型TOPCon組件比P型PERC組件的發(fā)電量高3%以上,其中光致衰減LID貢獻(xiàn)約1%、溫度系數(shù)貢獻(xiàn)約1%、雙面率貢獻(xiàn)約1%、弱光效應(yīng)貢獻(xiàn)約0.5%。

2.4 N型TOPCon與P型PREC組件優(yōu)勢(shì)對(duì)比

(1) 低衰減率。N型組件與P型組件相比,首年衰減由2%降至1%,線性衰減率由0.45%降至0.40%,30 a后輸出功率不低于原始輸出功率的87.40%,質(zhì)保期長(zhǎng)。

(2) 高轉(zhuǎn)換效率。TOPCon電池具有更高的效率極限,為28.2%～28.7%,遠(yuǎn)高于PERC電池的24.5%。目前N型量產(chǎn)電池效率超25%,組件效率超22%,均高于P型。

(3) 高雙面率。P型組件雙面率最高70%,N型組件雙面率最高85%,發(fā)電能力優(yōu)化可帶來(lái)發(fā)電增益。

(4) 弱光性更好。N型TOPCon組件具有更高的內(nèi)阻,更長(zhǎng)的少子壽命,天然具有更優(yōu)的弱光響應(yīng),與PERC組件比,早晚發(fā)電時(shí)長(zhǎng)延長(zhǎng)1 h左右。

(5) 低溫度系數(shù)。N型組件溫度系數(shù)為-0.30%/℃,P型組件的溫度系數(shù)為-0.35%/℃,N型組件溫度系數(shù)小,熱損降低,高溫地區(qū)可帶來(lái)更多發(fā)電量。

3 新型高效N型組件經(jīng)濟(jì)性分析

基于海南100 MW光伏項(xiàng)目工程應(yīng)用實(shí)踐,對(duì)單晶雙玻P型540Wp組件、N型565Wp組件、P型650Wp組件這3種組件,在相同條件下進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析研究,對(duì)比可見(jiàn)N型組件收益率最高,P型(功率為650 W)組件收益率居中,P型(功率為540 W)組件收益率最低[5-6]。光伏組件主要參數(shù)見(jiàn)表1,其中,選用固定支架13°,支架高度2 m(組件最低沿離地),交流側(cè)電池容量100 MW,直流側(cè)電池容量130 MW,容配比1.3。

表1 光伏組件主要參數(shù)及經(jīng)濟(jì)性比較

分析比較N型565Wp組件與P型650Wp組件得到:N型TOPCon組件成本增加約5%,項(xiàng)目總投資成本增加約2%,項(xiàng)目首年發(fā)電量增加約1.5%,全投資收益率增加約1.2%,度電成本降低約0.66%,主要經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)均有較大提高,能有效提升項(xiàng)目?jī)r(jià)值。綜合考慮N型新組件先進(jìn)性、發(fā)電量、度電成本等因素,項(xiàng)目最終選擇N型組件進(jìn)行方案設(shè)計(jì)[7]。

根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際,新型高效N型TOPCon組件相較P型組件的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)分析如下:① 更高發(fā)電量。N型TOPCon組件良好的雙面率、溫度系數(shù)及弱光響應(yīng),可獲得比P型組件更多的發(fā)電量。② 更低度電成本。在N型TOPCon組件比P型組件價(jià)格高出5%情況下,其度電成本仍然低于P型組件。③ 更高收益率。同一項(xiàng)目下,N型TOPCon組件比P型PERC組件有更高的項(xiàng)目全投資財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率。④ 更低周邊系統(tǒng)。得益于N型TOPCon組件更高的效率值,其相對(duì)P型組件在土地、基礎(chǔ)、支架以及線纜等方面均有節(jié)約。

4 結(jié) 語(yǔ)

新型高效N型組件技術(shù)先進(jìn),具有電池轉(zhuǎn)換效率高、發(fā)電量高、衰減率小、溫度系數(shù)小、雙面率高、弱光表現(xiàn)好等特點(diǎn),具備較好的市場(chǎng)應(yīng)用前景。光伏項(xiàng)目實(shí)踐表明,項(xiàng)目選用N型TOPCon組件,項(xiàng)目發(fā)電量、全投資內(nèi)部收益率等主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)均有較好的改善,能有效提升項(xiàng)目?jī)r(jià)值。新型組件技術(shù)加速迭代,呈現(xiàn)爆發(fā)性增長(zhǎng),有望通過(guò)技術(shù)進(jìn)步快速實(shí)現(xiàn)能效提升以及成本下降,高速發(fā)展。