180+与210，大硅片的选择请慎重！

张永强 　　2019年下半年开始，180+与210硅片的争论就没有停止。有几家光伏企业联手隆基，主推180+。更多的企业似乎更钟情210，选择与中环结盟210阵营。那么，是不是硅片尺寸越大越有利？ 　　我们先从硅片厚度说起 　　2005年之后，由于德国的阶梯电价，***了光伏发电的蓬勃发展。各种太阳电池研究突飞猛进，技术迭代更新有长足的发展，一时间晶硅电池（包括单晶多晶）、薄膜电池、染料敏化电池、多结电池等等争先恐后，同场竞技。然而多年以后，市场最终还是选择了效率最稳定、成本最经济的晶硅电池。 　　由于光伏成本较高，光伏的大面积推广应用受到了极大的限制。如何降低太阳电池成本，让这一世界上每个地方都能发电的取之不尽用之不竭的可再生能源造福于民，只能从厚度和效率等几个方面努力。但是，晶硅电池的发展，也不像专家们预测的那样。 　　我们来看看2005年前后当时光伏界专家们对晶硅电池的预测： 

　　硅材料成本是太阳电池的一部分，厚度减薄意味着同样重量的硅料可以生产更多的硅片，电池成本也会大幅下降。专家们一致预测，2020年前后，硅片厚度将减薄至80~120μm。 　　在多晶硅价格高启时，所有人都想通过减薄硅片实现大幅降本，但过去十多年，硅片厚度并未从200微米减薄多少，现在硅片厚度一般都在180微米左右。相对于十多年前125*125的硅片面积来说，现在166*166硅片减薄到180微米已经是很大的成就。 　　为什么十多年来，并没有从硅片的厚度上去减少成本呢？硅片厚度对电性能有什么影响？ 　　根据硅片厚度对短路电流、开路电压及效率的影响，一些研究成果认为当多晶硅片厚度小于200um时，多晶硅太阳电池的主要电学参数开始降低，影响输出功率。 　　但根据麻省理工学院博士后刘哲和该校及NREL的其他五位教授的发表在《能源与环境科学》杂志联合研究成果，可以通过使用更好的处理设备，采用更新的电池工艺来应对电性能降低的挑战，获得更薄的硅片，原本160微米厚的硅片可以减薄到100微米，最终可以被薄到40微米或更少。研究团队测试了包括PERC电池在内的四种太阳能电池结构的效率水平，比较了它们在不同厚度水平下的功率输出发现，当使用改进的制造工艺，在厚度低至40微米的情况下，发电性能和功率输出几乎没有下降。 　　40微米，几乎等于目前硅片厚度的四分之一。这将大大提高硅材料的利用率，大幅度的降低成本。 　　厚度没有减薄，WHY? 　　这还要从晶硅电池的物理属性上来分析。 　　晶体硅电池是一种晶体结构，有单晶和多晶两种形式，但都是晶体结构。多年来，很多光伏人都探索过更薄的晶硅电池，但最大的困难是：薄硅片太脆，易碎，在制造过程中良率低。随着厚度的减少，生产过程中的碎片化和隐裂会急剧上升，后期的电池加工过程，碎片及隐裂进一步加剧。 　　因此，虽然各方为了降低成本，从效率和厚度上都在努力。效率的提升成功了，但厚度却无法减下来，这也从侧面证明了，在现有技术下，硅片厚度无法减薄。这也是现有生产工艺证明了的事实。 　　我们今天看到的是，晶硅电池的效率有了大幅度的提升。采用了PERC等技术，晶硅电池由原来的15%左右提升到今天的19%左右，效率提升25%以上。 　　光伏发电追求规模效益，如何更进一步减低系统成本，180+与210之争就是一个降低成本的技术路线选择。 　　大组件和高功率可以在一定程度上降低建设成本。从125到156，一直到目前的主流产品166，市场做出了积极并且完美的选择。 　　但是不是硅片越大越好？ 　　目前从166到180+，硅片面积扩大了31.7%。如果硅片扩大到210，则硅片面积扩大了60%。目前没有统计180+和210的碎片率及隐裂率。从常识上判断，180+碎片率大于166，210要远大于180+的硅片。为了保证良品率，只有加厚硅片一条路。这与成本的降低是相背离的。况且，有研究表明，大组件的抗暴性能也会随着面积的增加而大大降低。（参阅2021年3月25日{“暴击”之下，超大组件的“脆弱”你懂吗？一文），那么为了提高抗暴性能，将目前已经减薄到2mm的玻璃改到3.2mm，成本能更低吗？ 　　组件尺寸的选择要考虑以下几个因素：第一、版型设计的可行性，要综合考虑上下游包括现有单晶炉、电池片环节、玻璃背板等辅材、逆变器承受的电流和支架的匹配、集中箱运输、上下料的复杂度、现场人员安装的人体力学和安全、安装和维护的便利性等；第二、组件功率和组件效率，既要考虑包装尺寸、也要保证高功率，同时减少切片、封装损失，提高组件有效发电面积，为了提高能量密度，需要用标准集装箱（目前集装箱的标准尺寸是为了适应汽车、火车、轮船所有运输工具运输所有货物的最优设计，不会因为光伏的尺寸变化去改变）的最优尺寸来倒推硅片尺寸；基于这二个关键点，180+mm无疑是目前最理想的硅片尺寸标准和组件尺寸标准。因为它功率可观、运输可行、成本可控。 　　180+硅片在一定程度上照顾了硅片、电池、组件产线的兼容能力，降本增效的能力比166硅片强。对组件企业来说，相对210而言，180+尺寸的硅片、电池在目前的市场上容易购买。而210尺寸的电池片，目前市场可提供的量有限。是因为2019年之前的单晶炉的副室尺寸不够大，210硅片的单晶硅棒无法通过副室进入上炉筒，而180+硅片的单晶硅棒可以通过。 　　目前以隆基为代表的企业，提出的180+路线，是在原166硅片生产线的基础上，略加改动，就可以实现180+电池的生产。如果180+能控制碎片率及隐裂率。则在不改变原有生产线的情况下，将是今后一段时间比较完美解决硅片尺寸与成本的方案。当然这一切也需要经受生产端与市场端的考验。 　　以中环为代表的企业，提出210路线。理论上，210硅片降本增效能力更强，比较适合想弯道超车的新建硅片、电池、组件企业，但是在实际生产、运输过程中会碰到热斑、切片损失、裂片、支架及逆变器兼容、运输一系列的问题；而210产线需要全部产线更新，需要前端配套大尺寸的单晶炉及硅片，其周期和成本将会大幅增加。还需要考虑玻璃、硅片厚度增加引起的成本上升。 　　就像汽车一样，理论上，越大越宽装载量越大，运输成本也越低，事实上并不是这样。超宽超高的车辆几乎无法在现有道路上运行。考虑到速度及风险，只有一定尺寸的卡车和乘用车才能上路。为了适应超高超宽汽车上路运行，道路扩宽和增高的成本将远大于其带来的利益。 　　更容易理解的例子是钞票，在移动支付出现之前，人们感觉到100元的票面都越来越不方便，更大的面值的钞票票面呼之欲出，为了提高便携性和支付效率，甚至传言国家已经设计了500元甚至1000元的票面的人民币钞票。当颠覆性的移动支付技术出现以后，市场上还有500、1000元的需求吗？   　　因此，在太阳电池新技术出现之前，180+的组件会降低一部分安装成本，但把现有的生产线、设备全部更换210甚至更大的组件，恐怕在增加厚度以后，获得的成本降低必定是有限的，甚至会提高。 　　这一点，希望光伏行业慎之又慎。 　　作者：张永强 高级工程师 资深光伏专家  　　联系方式：13309296272