1、光伏組件選型：單晶、多晶的可靠性與經濟性比較分析 本文摘要：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。下面的圖1是晶體硅光伏產業鏈的完整圖示，從硅料到硅棒、硅片、電池、組件再到系統。如圖中紅色邊框標示，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。下面的圖1是晶體硅光伏產業鏈的完整圖示，從硅料到硅棒、硅片、電池、組件再到系統。如圖中紅色邊框標示，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

2、是鑄錠方法，后端制造工藝只有一些細微差別。 圖1晶體硅光伏產業鏈圖示 晶體品質差異 圖2展示了單晶和多晶硅片的差異。硅片性質的差異性是決定單晶和多晶系統性能差異的關鍵。左圖是單晶硅片，是一種完整的晶格排列；右圖是多晶硅片，它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十倍，從而表現出轉換效率優勢。 圖2單晶硅片與多晶硅片外觀圖示 單晶是一種完整的晶格排列，在同樣的切片工藝

3、條件下表面缺陷少于多晶，在電池制造環節，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節的碎片率一般大于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，只能用傳統的砂線來切，成本上基本沒有多大的下降空間。電學性能差異 圖3是單多晶的少子壽命對比。藍色代表少子壽命較高的區域，紅色代表少子壽命較低的區域。很明顯，單晶的少子壽命是明顯高于多晶的。圖3單晶與多晶少子壽命分布比較 機械性能差異 圖4是單晶硅片和多晶硅片的機械性能電腦分析對

4、比數據。可以看出，多晶硅片的最大彎曲位移比單晶硅片低1/4，因此在電池的生產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，多晶組件更容易發生隱裂，這樣就降低了組件的輸出功率。 圖4單晶硅片與多晶硅片機械性能比較 單多晶電池對比 晶硅電池發展歷程 1839年，法國科學家貝克雷爾發現液體的光生伏特效應。 1917年，波蘭科學家切克勞斯基發明CZ技術，后經改良發展成為太陽能用單晶硅的主要制備方法。&#

5、160;1941年，奧爾在硅材料上發現了光伏效應。 1954年，美國科學家恰賓和皮爾松在美國貝爾實驗室首次制成了實用的單晶硅太陽能電池。 1955-1975年，由于單晶電池成本較高，產業界不斷致力于降低晶體制造成本，并提出鑄錠單晶工藝。 1976年，鑄錠單晶技術失敗，德國瓦克公司率先將鑄錠多晶用于太陽能電池生產，犧牲晶體品質以降低發電成本。 2005-2010年，多晶電池技術基于相對便宜的成本快速擴大份額。 2013年，松下HIT單晶電池轉換效率達到25.6%，突破了光伏產業界最高理論效率極限，人們再次評估各種技術的性能和成本區間。 

6、2013-2015年，連續快速拉晶技術和金剛線切片技術的導入使得單晶組件成本與多晶組件成本差距縮小到3%以內，采用單晶組件與采用多晶組件的電站單位投資成本持平。 預計到2016年，隨著PERC等高效技術的應用，單晶組件與多晶組件成本將達到一致。 轉換效率對比 影響轉換效率的3項主要參數是：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分解來看，單晶電池的各項參數全面領先于多晶，詳見表1。一般來講目前工藝下國內單晶電池量產效率是19.55%左右，做得好的話可以達到19.

7、8%-19.9%，取決于它是三柵線還是四柵線；多晶電池量產效率一般是18.12%左右。 表1  量產單晶電池與多晶電池的典型電學參數  Jsc(mA/cm2)Voc(V)FF(%)Eta(%)IRev2(A)Rs()Rsh()單晶電池38.140.64379.719.550.0200.0011153多晶電池35.960.63779.118.120.0560.002502下面的表2是單晶電池和多晶電池在量產層面轉換效率發展潛力的數據，單晶優勢非常明顯：表2  單晶電池與多晶電池已實現的最高量產轉換效率差異  

8、;單晶電池多晶電池一般效率19.55%-19.9%18.0%-18.5%改良效率（PERC）20.5%-21%18.6%-19.0%最高效率（HIT、IBC等）22%-23%尚無量產 在實驗室記錄方面，單晶技術潛力的優勢更加顯著。多年前澳大利亞新南威爾士大學開發出的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。目前SunPower開發出的N型單晶硅IBC電池的最高轉換效率達25%，松下N型單晶硅HIT異質結電池轉換效率高達24.7%，

9、去年推出的"HIT+IBC"電池的效率高達創記錄的25.6%(Panasonic)。以上數據全部是基于單晶硅技術的實驗室記錄，而多晶硅電池最高實驗室轉換效率僅為20.8%，差別是比較大的。單晶硅電池在各項主要參數上均全面高于多晶硅電池，在未來高效率發展方面具有更大的潛力。 下圖5是單多晶量子效率的對比，結果顯示單晶電池無論是在短波還是近紅外波段，量子效率都明顯高于多晶。這主要是由于多晶硅片存在較高的晶界和位錯缺陷，少子壽命普遍低于單晶。 圖5單多晶量子效率比較 另外，單晶具有更好的弱光響應。從圖6可以看出，在輻照高的地方單多晶相差不大，但在輻照

10、低的地方，單晶電池的弱光響應是明顯高于多晶的，這也反映在全年的發電量差別上面。 圖6單多晶弱光響應能力比較 制程差異 在制程方面，單晶比多晶更環保、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節，其余環節僅僅是控制標準的差異。 單晶制絨采用堿溶液腐蝕，腐蝕過程中產生硅酸鹽和氫氣副產物，通過應用制絨輔助液代替或部分代替異丙醇（IPA），可實現更低的BOD、COD污水排放，且單晶制絨體系對于設備硬件的要求很低，更容易實現環保和工藝控制。 多晶采用酸溶液腐蝕，需要使用高濃度的硝酸和氫氟

11、酸，主要副產物為氟硅酸和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。 溫度系數對比 單晶材料沒有晶界，材料純度高，內阻小，溫度升幅較小；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56左右，部分地區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。 從溫度系數本身來看，單晶溫度系數是略低于多晶的，因此同樣升高1的情況下單晶功率損失也少于多晶。 P

12、ERC電池技術簡述 幾年前光伏工業界把高效電池的注意力主要放在選擇性發射極電池技術？現在業內不再做選擇性發射極電池而更加關注PERC電池，因為選擇性發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出明顯優勢，選擇性發射極技術就被淘汰了。而PERC電池主要是表現在近紅外、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。 PERC電池具有以下特點： 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

13、勢更大。 PERC技術具有與現有產線兼容度高，易于進行產線升級，并可降低電池片每瓦成本。 PERC電池已經成為行業主流技術并逐步替代常規電池。 通過工藝優化，在近1-2年內可逐步將量產效率提升至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，而且量產轉換效率可以進一步提升至22%。 樂葉光伏2015年下半年將會在合肥基地量產高效PERC單晶電池組件，接下來在江蘇泰州將會新增2GW的PERC電池產能。 圖

14、6PERC電池結構與工藝圖示 HIT電池技術簡述 HIT電池具有以下特點： 采用N型單晶硅片，完全避免了LID現象。 目前實驗室最高轉換效率24.7%，量產效率可達22%，結合IBC工藝的效率可以達到25.6%。 采用非晶硅薄層進行雙面鈍化，電池開壓可提升至740毫伏。 全程采用低溫制造工藝，可以形成全對稱雙面電池構造，避免高溫制程對硅片的損傷以及彎片現象，能夠有效降低組件封裝時的碎片率，并且制作雙玻組件也非常有優勢。 制程相對簡單，但工藝難度高，要做好是非常不容易的，主要是非晶硅薄膜層非常薄，只有5-10個納米，所以均勻性

15、控制很不容易。另外，它目前的成本比PERC要高，一是設備投入高，二是HIT使用N型硅片，低溫銀漿和TCO等原材料成本高。 溫度系數很低，大約-0.25%/，比一般的晶體硅要低很多，因此總體的發電量比較高。另外，可制成雙面電池，背面也可以貢獻發電量。 圖7HIT電池結構圖示 IBC電池技術簡述 IBC電池也是采用N型單晶硅片生產，目前實驗室最高效率可達到25%，量產平均效率23%。從圖8可以看到，IBC電池正面沒有柵線，所有的柵線全部集中在后面。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，限制了該技術的發展。目前工業界著重開發低成本

16、IBC技術。 圖8IBC電池結構圖示 松下將IBC和HIT技術相結合，創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，FF是82.7%，硅片厚度是150m。 圖9HIT+IBC電池參數圖示 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球飛行。 圖10IBC電池在陽光動力2號的應用 電池技術發展趨勢預測 未來單晶的市場份額將逐步超越多晶。 N型高效電池的市場份額將逐步升高，取決于N型電池成本降低的速

17、度。 PERC電池的市場份額將在2018年后超越目前常規電池，且份額將逐步擴大。 PERC電池將有很長的生命周期，在相當長一段時間內和N型電池共存于市場中。 圖11ITRPV對電池技術發展趨勢的預測 單多晶電站投資收益對比 目前60片封裝的高功率組件，單晶量產功率為275W，多晶量產功率為260W，單晶組件價格為4.11元/W左右，多晶為3.98元/W左右。由于單晶組件在每個方陣中使用的數量較少，有效節約了支架、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，單晶系統與多晶系統基本相同。具體的分析數據下表1所示 發

18、電量和長期可靠性對比 目前為止經歷過長期運行考驗的電站絕大多數采用單晶組件，典型案例包括： 1982年，歐洲第一個并網光伏系統在瑞士建成，采用單晶組件，裝機容量10KW，年均衰減0.4%。 1984年，加州1MW光伏電站采用單晶組件，至今仍運行完好。 1984年，蘭州最早的光伏電站采用單晶組件，年均衰減0.37%。 1994年，浙江寧波最早的單晶電站，21年總功率衰減13.1%。 德國至今已運行18年的MW級屋頂電站，采用西門子單晶組件年衰減約0.4%，至今無質量問題。 "尋找最美老組件"首站云南，屋頂單晶系統運行接近30年，最近15年修正光衰不超過8%。 目前國內有大量的電站運行實例，證明在同一地區、同樣的建設條件和BOS條件下，每瓦單晶發電量顯著高于多晶，典型案例包括： 青島隆盛光伏車棚，單晶每瓦發電量比多晶高6.6%。 中山大學六種太陽電池光伏陣列實際發電性能比較(20