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第二屆光伏晶硅生長與大尺寸硅片技術(shù)論壇2019將于9月19日在浙江杭州召開
來自保利協(xié)鑫、阿特斯、榮德等的專家將作重要報(bào)告，介紹鑄錠單晶技術(shù)***進(jìn)展及應(yīng)用
鑄錠單晶（cast-mono wafer），是指采用多晶鑄錠爐，在常規(guī)多晶鑄錠工藝的基礎(chǔ)上加入單晶籽晶，定向凝固后形成方型硅錠，并通過開方、切片等環(huán)節(jié)，最終制成單晶的硅片?；谠摷夹g(shù)路線，保利協(xié)鑫目前已順利推出第三代產(chǎn)品“鑫單晶G3”（GCL cast-mono G3wafer）。
鑄錠單晶并非新興技術(shù)。早在2011年，保利協(xié)鑫就已經(jīng)開始該類產(chǎn)品的研發(fā)。除協(xié)鑫的***代、第二代鑄錠單晶產(chǎn)品之外，賽維LDK、晶澳、昱輝、鳳凰光伏等企業(yè)都陸續(xù)推出過類似產(chǎn)品。在市場(chǎng)上，這類產(chǎn)品被稱之為準(zhǔn)單晶（quasi-mono wafer）或類單晶（mono-like wafer）硅片。***代鑄錠單晶硅片曾在2011年至2012年風(fēng)靡一時(shí)，由于出色的性能表現(xiàn)，在市場(chǎng)上供不應(yīng)求，售價(jià)甚至一度超過了直拉單晶。
自2012年之后，基于小晶粒技術(shù)方向的***多晶取得了突破并大規(guī)模量產(chǎn)應(yīng)用，很快占據(jù)了光伏硅片市場(chǎng)的主流地位。2016年之后，金剛線切片的升級(jí)改造、PERC電池逐漸代替全鋁背場(chǎng)電池等技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，加之“領(lǐng)跑者”計(jì)劃的推波助瀾，單晶硅片市占率逐步從低谷崛起。
時(shí)至***，保利協(xié)鑫七年磨一劍，第三代鑄錠單晶硅片橫空出世，以多晶的低成本、單晶的高效率，再次受到業(yè)界***關(guān)注。第三代產(chǎn)品較之傳統(tǒng)鑄錠單晶產(chǎn)品，消滅了以往鑄錠生產(chǎn)中容易產(chǎn)生的二類片及曾占成品高比例的三類片，有效解決了客戶使用硅片時(shí)必須搭配使用、照單全收的苦惱和尷尬，“鑫單晶G3”無論是外觀還是內(nèi)在的位錯(cuò)密度，都無限接近直拉單晶硅片，為日趨多元化的光伏材料市場(chǎng)提供了一個(gè)極具競(jìng)爭(zhēng)力的***產(chǎn)品。
從晶體學(xué)上講，區(qū)別單晶和多晶的關(guān)鍵在于晶體結(jié)構(gòu)是否無限接近完美。以晶格結(jié)構(gòu)完整著稱的直拉單晶也不是無限完美的，它內(nèi)部仍然存在103/平方厘米左右的位錯(cuò)密度。整體而言，直拉單晶與多晶比較大的不同在于，由于晶格結(jié)構(gòu)較為完美，直拉單晶可以被認(rèn)為是一個(gè)巨大的晶粒，而多晶是由無數(shù)個(gè)不同晶向的均勻小晶粒構(gòu)成，位錯(cuò)密度較之直拉單晶要高2個(gè)數(shù)量級(jí)左右。
鑄錠單晶——“鑫單晶G3”，其位錯(cuò)密度上更接近于直拉單晶，晶胞個(gè)數(shù)降到個(gè)位數(shù)。鑄錠單晶硅片采用與直拉單晶相同的堿制絨，制絨后表面微觀結(jié)構(gòu)與直拉單晶一樣，同樣為規(guī)整的金字塔結(jié)構(gòu)。盡管在鑄錠單晶整張硅片不到1%的面積里，偶爾會(huì)出現(xiàn)個(gè)別不同晶向的晶胞，但是整個(gè)大方錠產(chǎn)出的鑄錠單晶硅片中，出現(xiàn)這一現(xiàn)象的硅片占總產(chǎn)品的比例，也不過幾個(gè)百分點(diǎn)?！蚌螁尉3”就其硅片品質(zhì)而言，已與直拉單晶無異，而鑄錠單晶技術(shù)本質(zhì)上是“物美價(jià)廉”的鑄造技術(shù)進(jìn)一步升級(jí)，是多晶硅片從大晶粒到小晶粒再到大晶粒的方向轉(zhuǎn)換，也印證了事物的發(fā)展是螺旋式上升波浪式前進(jìn)的辯證規(guī)律。
僅憑肉眼觀察鑄錠單晶硅片，與直拉單晶硅片幾無區(qū)別（圖1），只能從是否存在四個(gè)圓弧型倒角來判斷。另外，鑄錠單晶硅片還可采用亞微米級(jí)金屬催化濕法制絨，俗稱黑硅制絨，例如業(yè)內(nèi)tier one 的阿特斯陽光電力，就采用了其獨(dú)特的黑硅制絨法，硅片表面呈現(xiàn)倒金字塔的微觀結(jié)構(gòu)，在電池外觀更加美觀的同時(shí)，更可以獲得與直拉單晶堿制絨不相上下的組件功率輸出。
“鑫單晶G3”產(chǎn)品具有以下幾個(gè)***的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)：
一、生產(chǎn)成本低，轉(zhuǎn)換效率高
正如中國科學(xué)院院士、浙江大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院教授楊德仁所言，“鑄造單晶將鑄造技術(shù)的低成本、低能耗、大尺寸優(yōu)勢(shì)和單晶的高效率、高質(zhì)量?jī)?yōu)勢(shì)結(jié)合到了一起”。
“鑫單晶G3”在實(shí)際生產(chǎn)中，從單爐裝料量、晶體生長速度到成品率，從單位電耗到坩堝等耗材成本，乃至其自動(dòng)化生產(chǎn)的便捷程度上，都比單晶制造的直拉法更有優(yōu)勢(shì)。此外，生產(chǎn)過程的能耗較低帶來了更高的碳足跡分值，這在注重產(chǎn)品生產(chǎn)過程碳足跡的法國等海外市場(chǎng)，能夠獲得更多客戶青睞。
在成本與鑄造多晶幾乎一樣低的同時(shí)，“鑫單晶G3”的電池效率擁有大幅提升。“鑫單晶G3”在多家客戶大批量應(yīng)用結(jié)果顯示，使用目前主流的PERC電池工藝，“鑫單晶G3”與直拉單晶電池的轉(zhuǎn)換效率***值差值，相差不到0.3%（圖2）。相較158.75mm尺寸的單晶全方片與同尺寸鑄錠單晶硅片制造的72片組件，其功率輸出相差不到5瓦（圖3）。在目前電站投資的成本模型中，采用72片385瓦的直拉單晶組件，與采用72片380瓦的“鑫單晶G3”組件相比，由于這5瓦功率差帶來的BOS成本節(jié)省幾乎可以忽略不計(jì)。作為一種新型產(chǎn)品，鑫單晶PERC電池的效率進(jìn)一步提升仍有較大空間，在進(jìn)一步優(yōu)化電阻率均值提高電池效率之后，完全可以做到與直拉單晶相同的組件功率輸出。
二、尺寸靈活，方寸之間“經(jīng)濟(jì)適用”
“鑫單晶G3”從凝固之初即為大面積立方體，而直拉單晶拉制的一定是圓棒，須由圓棒開方成為長方體的硅錠。從方到方，比從圓到方更經(jīng)濟(jì)，鑄錠單晶生產(chǎn)過程中切除余料的比例更低；同時(shí)鑄錠單晶尺寸也更為靈活，一個(gè)大方錠變動(dòng)開放尺寸，無論157、158還是166的尺寸，都輕而易舉。與此同時(shí)，無論硅片大小，都是全方片，不必糾結(jié)于大倒角還是小倒角。相反對(duì)于單晶而言，小倒角意味著圓轉(zhuǎn)方的得率低、硅片成本高，而大倒角，必然會(huì)在光伏組件上產(chǎn)生更多的留白，降低組件效率。靈活尺寸才更加“經(jīng)濟(jì)適用”，這一優(yōu)勢(shì)使得“鑫單晶G3”更能滿足客戶的定制化尺寸需求。采用166mm邊長的“鑫單晶G3”硅片，疊加MBB、PERC電池工藝以及半片等組件技術(shù)，量產(chǎn)平均組件功率輸出可達(dá)到425~430瓦。
三、分布更集中的電阻率分布，高適配PERC電池生產(chǎn)工藝
晶硅產(chǎn)品的電阻率，與摻雜劑的濃度以及摻雜劑在硅中的分凝系數(shù)相關(guān)，而分凝系數(shù)是一個(gè)固定的物理數(shù)值。同樣摻雜濃度下，電阻率的分布與硅棒長度呈正相關(guān)，即硅棒長度越長、電阻率分布越寬。直拉單晶硅棒屬于瘦長型選手，長度通常高達(dá)3米甚至4米；而鑄錠單晶屬于矮胖型選手，高度通常不會(huì)超過半米。即便是在常規(guī)的P型摻雜劑硼的分凝系數(shù)已經(jīng)為0.8、很接近于1的情況下，單晶硅片電阻率的頭尾分布仍然比較寬，硅片的比較大電阻率一般是最小電阻率的2-3倍。與之不同，鑄錠單晶硅錠由于凝固的高度較短，其電阻率分布比較大值與最小值的差距不超過1.5倍（圖4）。而PERC電池工藝對(duì)硅片的電阻率較為敏感，更窄的電阻率分布有利于電池制程的控制。若直拉單晶制造廠商為了進(jìn)一步降低電池衰減，采用鎵作為摻雜劑代替硼摻雜劑，由于鎵的分凝系數(shù)僅為硼的百分之一，這必將造成摻鎵單晶硅棒的電阻率進(jìn)一步分散。另外，鎵摻雜的直拉單晶專利目前尚未到期，而鎵摻雜的鑄錠單晶卻沒有此類知識(shí)產(chǎn)權(quán)風(fēng)險(xiǎn)。
四、電阻率分布與直拉單晶硅片相比氧含量更低，具有更佳LID及LeTID表現(xiàn)
目前絕大多數(shù)P型單晶或多晶皆采用硼摻雜，由于硼氧四面體會(huì)帶來電池的光致衰減（LID），在同樣電阻率、同樣硼摻雜濃度的前提下，硅片中的間隙氧雜質(zhì)含量就會(huì)成為影響電池衰減的重要因素。對(duì)比鑄錠單晶和直拉單晶的制造過程，單晶提拉旋轉(zhuǎn)的過程中硅液不斷與以二氧化硅為原料的石英坩堝發(fā)生旋轉(zhuǎn)沖刷，而鑄錠過程相對(duì)而言更像一個(gè)“安靜的美男子”。目前單晶硅棒可以做到的平均氧含量先進(jìn)水平為11-12ppma，而鑄錠單晶只有該數(shù)值的一半左右（圖5）。這意味著鑄錠單晶電池的光衰一定優(yōu)于直拉單晶電池。
而對(duì)于LeTID，即高溫光致衰減這一近年來在PERC電池中發(fā)現(xiàn)的獨(dú)特現(xiàn)象，目前尚無明確的機(jī)理，公認(rèn)為單晶、多晶都存在這一問題，其檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)目前也尚未統(tǒng)一。根據(jù)多數(shù)使用協(xié)鑫“鑫單晶G3”生產(chǎn)PERC電池的廠商反饋，鑄錠單晶的LeTID表現(xiàn)也較為出色（圖6）。同時(shí)LeTID的控制與電池工藝本身也高度相關(guān)，例如阿特斯陽光電力就有其獨(dú)特的控制高溫衰減的方法，可以將鑄錠單晶電池的LeTID控制在1%以內(nèi)的水平。
五、完美適配多種電池組件技術(shù)
PERC、MBB、雙面、MWT、半片、疊瓦、拼片……無論是什么樣的電池組件技術(shù)，“鑫單晶G3”都能完美適配。由于鑄錠單晶硅片為全方片，可采用堿制絨或黑硅制絨，對(duì)PERC電池、MWT電池都顯示出良好的適用性，其中對(duì)于MWT電池更能發(fā)揮其充分利用受光面積的優(yōu)勢(shì)、進(jìn)一步提高組件效率；因?yàn)闆]有倒角，“鑫單晶G3”不僅完全兼容MBB、半片、疊瓦、拼片等技術(shù)，外觀上也更為美觀。
無論直拉單晶、多晶還是鑄錠單晶，對(duì)于電站投資商及終端用戶而言，選擇的根本依據(jù)最終都會(huì)歸結(jié)為：誰的性價(jià)比更高。即考量電站的投資成本及平準(zhǔn)化發(fā)電成本（LCOE）。若基于國內(nèi)某一類地區(qū)大型地面電站為典型場(chǎng)景為投資模型進(jìn)行測(cè)算，并采用如下測(cè)算邊界條件：
1.運(yùn)維費(fèi)用：0.03元/W，每年以3%的速度增長；
2.土地租金：800元/畝；
3.折現(xiàn)率：5%；
4.不含融資成本、耕地占用稅、植被恢復(fù)、清掃機(jī)器人、水保環(huán)保等相關(guān)費(fèi)用；
5.組件的衰減率：?jiǎn)尉ERC首年3%，次年0.6%；“鑫單晶G3”PERC首年衰減率2.5%；次年0.6%。
則測(cè)算出的的大致結(jié)果如下表：
從測(cè)算結(jié)果可以看出，單價(jià)1.89元/Wp 的72片380瓦“鑫單晶G3”PERC組件與單價(jià)1.96元的72片385瓦直拉單晶組件相比，無論靜態(tài)投資成本還是度電成本，鑫單晶組件都具有明顯優(yōu)勢(shì)。而保持這一組件單價(jià)的差價(jià)，在目前“鑫單晶G3”的成本優(yōu)勢(shì)及售價(jià)定位的情況下，都可以輕而易舉的實(shí)現(xiàn)。
未來，光伏平價(jià)上網(wǎng)將不再是一句口號(hào)，而是光伏人可以切實(shí)達(dá)到的目標(biāo)。隨著鑄錠單晶技術(shù)的進(jìn)一步提升、原料利用率的進(jìn)一步提高，其制造成本仍有較大的降低空間。“鑫單晶”系列產(chǎn)品的品質(zhì)，也將一如既往的延續(xù)協(xié)鑫比較高等級(jí)的質(zhì)量穩(wěn)定性，協(xié)鑫將確保其自身品牌的長期競(jìng)爭(zhēng)力。目前，保利協(xié)鑫“鑫單晶G3”硅片年產(chǎn)能可達(dá)8-10GW以上；由于鑄錠爐體的升級(jí)改造相對(duì)簡(jiǎn)單，隨著158.75mm尺寸“鑫單晶G3”硅片在電池端應(yīng)用的進(jìn)一步放量，“鑫單晶G3”產(chǎn)能的進(jìn)一步提升也易如反掌。在單晶硅片一片難求的市場(chǎng)行情下，物美價(jià)廉的保利協(xié)鑫“鑫單晶G3”產(chǎn)品，必將成為平價(jià)上網(wǎng)時(shí)代的比較好選擇！
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