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HIT:單晶PERC之后的下一個光伏電池新賽道?

文字:[大][中][小] 2018-5-21    瀏覽次數:336    
編者按:目前看來,HIT是最有競爭力的下一代光伏電池技術。HIT叫法繁多,沒有形成統一名稱,各個廠商各自為戰,明明是一樣的技術路線,各家公司卻偏要叫不同的名字,HIT、HJT、HDT、SHJ其實指的是同一個東西,都是指異質結光伏電池。

目前看來,HIT是最有競爭力的下一代光伏電池技術。HIT叫法繁多,沒有形成統一名稱,各個廠商各自為戰,明明是一樣的技術路線,各家公司卻偏要叫不同的名字,HIT、HJT、HDT、SHJ其實指的是同一個東西,都是指異質結光伏電池?,F在正處于HIT產業推廣的初期,消費者還沒有對HIT的優勢形成清晰認知,各個廠家卻又要標新立異起不同的名字,使得下游電站業主傻傻地分不清楚,增加認知難度,不利產業推廣,所以此處我呼吁國內重要HIT技術路線上的廠家,盡快統一路線名稱,為大家理解HIT發電優勢掃清認知障礙。由于為本文寫作提供大量幫助的易治凱先生習慣于把異質結電池叫做HIT,所以本文使用HIT這個名字。

HIT專利從2015年過期,現在各家發展HIT已無專利方面的障礙,核心障礙在于如何把成本做低,HIT成本方面的障礙主要來自1、設備未完成國產化單位產能投資額度較高;2、產量較小導致N型硅片、關鍵輔材價格較高。第二個問題是一個先有雞還是先有蛋的問題,所以HIT真正想獲得量產突破,必須實現關鍵設備的國產化突破并把單位產能的投資成本大幅降低。這些年我們國家在高精尖設備領域接連突破,我國的裝備制造業正在快速由大變強,這也是我對HIT技術路線如此有信心的原因所在。

一、看好HIT電池路線的原因

看好HIT技術路線是因為:

更高的效率潛力(目前最高25.6%,疊加IBC的效率記錄是26.63%)

更高的雙面率(理論雙面率可做到98%)

更大的降成本潛力(工藝步驟少、硅片薄片化潛力大)

更低的衰減(無P型組件常見的光致衰減現象)

更優秀的溫度系數(溫度系數為-0.258%,常規晶硅電池為-0.46%)

更適合與疊瓦技術相結合(HIT電池柔性不易隱裂,更適合)

下面我們逐條分析HIT電池的每一個點。

1、更高的效率潛力

HIT采用N型硅片具有較高的少子壽命,同時HIT采用特殊的非晶硅鈍化的對稱結構可以獲得較低的表面復合速率,這些特點是的HIT電池可以獲得很高的開路電壓(HIT電池開路電壓740mv、perc電池開路電壓660mv,引述自易治凱先生),最終效率潛力比目前P-perc電池片要高1.5~2%。實驗室效率記錄方面,P-perc電池目前最高實驗室效率最近由晶科能源取得23.95%;三洋則是HIT電池效率記錄的保持者,效率為25.6%。量產平均電池效率方面,目前國內領先的P-perc電池效率可做到21.7%,年底實現22%的效率水平;而以晉能科技為代表的HIT目前量產電池片效率為23.27%,年底有望實現24%的平均量產效率。2、更高的雙面率

HIT電池由于其獨特的雙面對稱結構使其更易于制作成雙面電池,目前雙面率在85%,而未來真正成熟產業化應用的時候,HIT雙面率有望達到95+%的水平,這就意味著未來某個不走心的安裝工人把HIT組件正反面安反了,其實際發電功率也不會有太大損失。P-perc方面目前隆基已經實現了82%的雙面率,這已經非常了不起的成績了,但是由于其特殊的背面開槽的結構,未來再把雙面率做高將會面臨越來越多的困難。

3、更大的降成本潛力

HIT電池雖然目前成本更高,但是未來降本的空間十分巨大,而且我認為在相關條件成熟時,HIT組件的成本甚至有潛力低于P-perc組件,這主要是由于第一:HIT電池加工溫度低(240度)所使用到的硅片有潛力做到更薄,HIT電池未來真正成熟之際,可使用100微米厚度的硅片;而P-perc繼續降低硅片厚度的空間十分有限,由于其背部的鋁背場溫度系數和硅片溫度系數不同,過薄的P型硅片容易產生隱裂,此外P型電池擴散工藝的加工溫度為800~900度,過薄的硅片容易在高溫下翹邊。第二:除了硅片薄化的降本空間更大以外,HIT的工藝步驟也更為簡便,全部生產流程的工藝步驟僅為四步;而晶科P-perc電池為了實現23.9%的轉化效率需要疊加多種工藝,工藝步驟在十步以上。HIT組件成本可以做到更低的第三個原因主要來自于效率更高帶來的封裝成本的降低上。目前一張60型組件的含稅封裝成為約為220元/片,封裝成本主要包含光伏玻璃、EVA膠膜、鋁框、背板等等,降本空間有限,成本較為剛性。所以三年后HIT電池真正爆發之際,我們假設封裝成本依舊為220元/片依舊合理。三年后HIT電池真正爆發之際P-perc組件功率有望達到330W,而HIT組件的功率有望達到360W,僅比較正面功率的情況下,HIT組件單瓦封裝成本比Perc組件低220÷330-220÷360=0.056,這就意味著未來HIT組件在單瓦封裝成本上可比perc組件低約6分錢。此處我們簡單總結一下,HIT組件未來得益于更薄的硅片、更少的加工步驟和更低的封裝成本,在克服設備環節的問題以后,單瓦成本有望更低。

4/5、更低的衰減和更優秀的溫度系數

P型硅片由“硼”作為主要參雜元素,硅片中的硼氧復合因子會降低電池少子壽命進而出現困擾P-perc電池片的光致衰減現象,近些年我們通過在摻入鎵以及退火工藝,光致衰減現象已經得到很大程度的抑制,但初始光衰依然無法避免,隆基樂葉HI-MO2組件承諾的初始光衰在2%(實際或可做到1%以內)。HIT電池使用的N型硅片以磷作為主要參雜元素,不會出現硼氧復合因子從而從根本上避免了初始光衰的現象。

溫度系數是HIT組件另一個方面的優勢,隨著組件工作溫度的升高,組件的發電功率會出現下滑,常規P型電池的溫度系數為-0.46%,這就意味著溫度每升高1度,組件的功率就會下滑0.46%;HIT組件的溫度系數為-0.258%,溫度每升高1度,功率僅下滑0.258%。不僅如此,HIT由于轉化率更高,以熱的形式耗散的能量相對更少,在同等情況下工作溫度就低于P型電池。種種因素疊加下,使得HIT組件可以在同等功率下有更加優異的發電表現。

6、HIT電池片更適合與疊瓦組件相結合

疊瓦組件比常規組件能封裝更多的電池片(60型常規組件可封裝66片),增加有效發電面積(2%↑);用導電膠替代焊帶避免了焊帶遮擋(4%↑);緊密疊加的電池片疊加導電效果更佳的導電膠降低組件內阻(3%↑);疊瓦組件優秀的封裝方式帶來的各種優秀效應可以疊加使得疊瓦組件的發電功率比常規組件高8~9%。這里我先引入一個概念:“按比例提升功率的技術”。明確這樣的概念對于我們理解高效硅片電池片的未來十分有益。半片技術就是典型的按比例提升功率的技術,它疊加在越優秀的電池片上帶來的提升越大。半片技術疊加在常規多晶組件上盡可以提升5~6W的功率;但是同樣的技術疊加在單晶perc組件上就可以帶來8W以上的功率提升;近些年不斷涌現的半片、多主柵、雙面都是非常典型的按比例提升功率的技術。我了解到阿特斯為了挽救即將衰亡的多晶路線,不惜花大價錢在多晶路線上不斷疊加新技術,但是阿特斯在電池技術上疊加的按比例提升的工藝環節越多,未來就會有更大的動機去選用單晶硅片。表面上是為了挽救多晶技術路線而做出種種努力,不斷的采購新設備疊加新工藝,但實際上是在加速多晶技術路線的覆滅,因為終有一天阿特斯可愛的工程師朋友們就會發現,只要簡單的放棄自己的執念改用單晶硅片,那些先進設備就可以發揮更大功效、更大價值(扯遠了,再回到主題)。疊瓦組件技術不僅是典型的按比例提升功率的技術,更是提升幅度最大的技術。8%的提升比例使得半片、多主柵等技術在其面前都自慚形穢。既然是按比例提升功率的技術,那么他應用在越優秀的電池片上,其發揮出來的價值就越大,如果把疊瓦技術疊加在270W功率的常規多晶組件上,帶來的功率提升為270×8%=21.6W;如果疊加在305W功率的單晶perc組件上帶來的功率提升為305×8%=24.4W;晉能目前可把HIT組件功率做到330W,如果這樣的電池片疊加疊瓦功率可以提升330W×8%=26.4W。如果是HIT疊瓦雙面,把雙面發電功率考慮進來則功率差可以拉倒更大的水平。

疊瓦組件在封裝環節電池片之間會出現一個凌空,這對于更厚且更脆的P-perc電池是非常不利的,P型電池片背面存在鋁背場,致使電池片很脆,拿在手里輕輕一掰就會碎裂,疊瓦的封裝模式對于十分脆的P型電池長期看存在發生隱裂的風險。而HIT電池的一個典型特點就是柔韌度非常好,拿在手里我們可以像扇子一樣扇。HIT自身獨特的結構特點,使其天然的就更加適合疊瓦組件。目前標66型疊瓦HIT組件正面功率已可以做到360W,HIT電池片領域技術專家易治凱先生對于未來HIT疊瓦組件正面功率做到400W+的水平非常有信心。由于疊瓦技術的核心專利目前有Sunpower持有,這是目前大家研發疊瓦技術的重要障礙,好消息是再過不了多久疊瓦組件專利將會過期失效,屆時將會掃清專利方面的障礙。

最后我們總結一下:疊瓦組件作為典型的按比例提升功率的技術,其疊加在HIT電池片上能發揮更大的效益;此外,柔性的HIT電池片也更適合疊瓦的封裝形式??梢哉fHIT與疊瓦相互促進,隨著未來疊瓦專利技術過期,正面功率大于400W的雙面HIT疊瓦組件會引發新的一輪光伏產業的技術革命,而且這一輪產業革命后,光伏電有潛力成為全世界大部分地區最為廉價的能源!

二、此100瓦非彼100瓦(HIT電池路線的經濟性評估模型)

根據文章的上一部分,我們已經了解到了HIT組件的種種優點,現在來到了真正有挑戰也是有意思的部分:把HIT組件上述種種優點量化為看得見摸得著的價格差。感性上我們都能理解:HIT組件由于單位面積功率更高且同等功率下發電量更高,它單瓦價格理應比常規組件賣的更貴一些,但是到底賣貴多少合適?量化的模型是什么?有沒有一個簡單的公式能解決上述問題?解答上面的疑問就是本節要完成的任務。

1、同等功率下,HIT組件能比常規組件增益幾何?

下圖是同等功率下雙面HIT組件對比多晶組件的發電表現:

統計16個月的對比發電數據,HIT雙面組件可比常規多晶組件多發電21%;雖然數據亮眼,但是可能并不完全公平,原因如下:1、待到HIT真正爆發之時它的對手應該是單晶perc組件,更合理的對比組應當選用perc組件,Perc已經有足夠充分的數據證明其同等功率下可比常規多晶組件多發電3%;2、雙面HIT對比多晶單面并不公平,最理想的對照組應當是雙面單晶perc組件。

由于缺乏理想的對照數據,我只能依靠理論分析和專家評估。相對于單晶perc組件,HIT組件也有更強的發電能力,其主要是因為:1.更優秀的溫度系數(-0.258%,常規組件-0.46%),高溫導致功率衰減少;2、HIT組件沒有PID、LID導致的衰減現象,僅有老化衰減;3、在雙面組件對照中,HIT更好的雙面率使其背面發電功率更高。考慮HIT組件更優溫度系數、無PID和LID衰減、更高雙面率等等有利因素后,我們有理由相信同等功率的雙面HIT組件可比雙面perc組件多發電10%(強調:此處的10%僅為估算,我希望能有機會把它作為專業的課題去更深入的研究,得到更多更扎實的實證數據)。此處我們就可以順其自然的引入“等效功率”的概念,100瓦的HIT組件我們可以等效于110瓦的單晶perc組件。等效功率是我們識別HIT價值所在的關鍵一環,只盯著組件功率不考察同等瓦數下的發電能力,會導致我們永遠無法正確評估HIT的價值。帶著等效功率這個概念,我們進入下一個部分的討論。

2、HIT組件賣更貴的合理性基礎

HIT組件賣更貴的合理性基礎主要分為兩個方面,首先是HIT單位面積功率更大,使得下游電站建設過程中和面積相關的成本(例如土地、運輸、安裝、樁基、支架等)得到更有效的攤低;其次是100瓦HIT可以等效于110瓦的perc組件,但是在計算價格時我們只按照100瓦來計算,這部分多出來的價值要通過更高的價格差體現出來。

“面積相關成本”是我為了方便大家計算高低功率合理價差而引入的重要概念,常讀我文章的朋友可能已經比較熟悉,不熟悉的朋友可以移步閱讀《用一個公式清晰明了地計算高低功率組件合理價差》。面積相關成本以一塊60型組件為單位,是指一塊60型組件在電站建設、運維過程中發生的運輸、安裝、樁基、支架、線纜、土地、清洗運維等成本,這塊成本按照不同項目類型、不同項目區域有很大差異,通常介于1000~400元之間。舉例來說某個位于美國漁光互補并帶跟蹤支架的項目每塊組件的面積相關成本可能高達1000元;而位于印度采用平鋪安裝方式的工廠屋頂分布式光伏項目的面積相關成本可能僅為400元/片組件。新產品都是從高端開始普及,逐步滲透至低端,Perc產能出現初期對比普通組件價格差更高的根本原因就是perc產能<10GW時,選用perc組件的項目都是那些面積相關成本非常高的項目,此類項目能承受更高的價格差;而伴隨著perc產能的增加,我們需要提高perc的滲透率,就需要讓那些面積相關成本比較低的項目也能接受perc組件,此時此類項目能接受的合理價差就變小。

同樣道理,在HIT全行業產能<10GW時,其滲透的項均是那些面積相關成本較高的項目,此處我們假設初期項目每片組件面積相關成本800元。三年后可能是HIT組件真正產業化應用的元年,彼時HIT組件正面量產功率或可做到360W;單晶P-perc組件量產功率也可以達到330W,另外假設同等功率下HIT的發電增益是7%(此處選用一個相對保守的數值)。則正面功率360W的HIT組件實際等效于360×1.07=385W的單晶perc組件。對于一個800元面積相關成本的電站單瓦攤成本為800÷330=2.42元;按等效功率計算HIT組件單瓦攤成本為800÷(360×1.07)=2.08;兩者差即為第一部分的合理價差2.42-2.08=0.34元。合理價差第二部分來自于HIT組件發電能力更強,正面功率360瓦的HIT組件等效于360×1.07=385瓦,但實際對外銷售時僅以360瓦為基礎計算售價。剩下的功率相當于是贈送的。依舊假設以同等功率下HIT組件發電增益是7%,則贈送功率相當于360W×7%=25瓦,贈送功率的價值為25瓦×單晶perc組件售價=25×2.5=62.5元;攤到HIT組件每瓦的價值為62.5÷360W=0.175.
自己觀察公式,我們發現“HIT組件功率”這一項可以相互約掉,進而使得公式簡化,所以計算同等功率下發電增益帶來的組件合理價差的提升的簡便公式就是:發電增益率×P-perc價格。發電增益率7%,且假設屆時P-perc組件預期價格為2.5元/W,那么帶來的合理價差的提升為7%×2.5=0.175元。和前面計算結果一致。

此處簡單總結一下,HIT組件得益于更高的效率和更高的發電能力,未來普及時理所應當比當時的主要競爭路線P-perc賣更貴,其賣更貴的合理性基礎主要來自與兩個方面:1、單位面積內等效功率更高使得面積相關成本得到更有效的攤銷;2、同等瓦數下發電量更高,等效于贈送了一定容量的組件。

把這兩部分和在一起考慮的計算公式為:(面積相關成本以ARC表示)

引述之前的公式,ARC=800元 ; 三年Perc組件功率可來到330W; HIT組件功率360瓦,等效于360×1.07-385瓦 ; 同等功率下發電增益率為7% ; 三年后Perc組件價格假設為2.5元/W .

800÷330-800÷(360×1.07)+7%×2.5=0.52元。計算結果表明,三年后如果P-perc組件售價為2.5元,HIT組件有充足理由賣到3元的價格。當前重要前提是:我的假設數據準確并且下游電站業者能對HIT的價值正確識別。其實在本篇文章的寫作過程中,我為了體現它的嚴謹性,選用的數字都是偏保守的,就比如發電能力這一項,HIT電池專家告訴我,得益于低衰減的特性,越到后來HIT發電能力就越能淋漓盡致的體現出來,電站的整個生命周期中,同功率HIT組件的累計發電量可比常規晶硅組件多20%。

公式我們已經已經理解,接下來我更想帶著大家做一次思想的實驗,貼近想象力上限,選用HIT疊瓦雙面組件對比單面perc組件,計算一下兩者的合理價差。有潛力把組件正面功率做到360瓦的HIT電池片如果采用疊瓦封裝形式(功率可再增加9%),則其正面功率可達360×1.09=392W≈390W。由于是雙面HIT,其潛在的發電增益評估為20%(事實上這一數字依舊可能是保守的),面積相關成本依舊為800元,帶入計算公式為:

800÷330-800÷(390×1.2)+20%×2.5=1.22元。計算結果表明如果三年后正面功率330W的單晶perc組件如果售價為2.5元/W ,那么正面功率為390瓦的HIT雙面組件完全有充足理由賣到3.7元/W的價格。如果屆時我們把HIT成本控制到較為理想的水平,HIT電池以及組件完全有潛力在較長時間內獲得持續性的超額收益。

三、總結:

本文更像是一次思想實驗,雖然文章中的很多假設還需要大量實證數據支持,但文中所搭建的思維分析框架我相信是可以經得起時間的考驗的。HIT組件最大的特點在于同功率下發電量更高,使大家正確識別這一塊的價值是本文意義所在??傊?,放眼未來,光伏電站建設過程中和面積相關的一系列成本如運輸、安裝、土地、支架、樁基、維護等成本是很難繼續降低的,有一些和“人”直接相關的成本(如安裝、維護)由于人力成本的持續上升甚至可能出現不斷上升的窘境。進一步降低光伏電成本的最有效突破口便是提升單位面積內的功率和提升同等功率下的發電能力。目前看來,能完美滿足這一要求的電池路線就是HIT,當然如果能有其他路線能滿足這樣的要求,同樣也可能在未來的發展中勝出。

HIT目前最大的障礙來自于關鍵設備為實現國產化,但中國制造2025扶持的就是中國裝備制造業,可見的短期未來在裝備制造領域我們必將持續的、深入的不斷獲得更了不起的突破,這是中國崛起的必由之路,這是中國發展的大方向,HIT設備方面的問題,我們必將突破而且不用等太久。最后的最后,我在附送一個小彩蛋,光伏行業是一個經常處在不斷變動中的行業,快速變動的特點就使得老牌企業因為新技術出現導致老設備快速喪失競爭力,看一看那些老牌光伏巨頭們把,他們資產負債表里背負的包袱正變得越來越沉重。

我說的這些更希望是新光伏巨頭的常鳴警鐘,也希望是潑向當前perc產能熱的一盆冷水。在我的統計數據中,年底perc產能預計就會來到62GW成為主流,如果貴公司的perc產能年底前還不能投產,那就最好放慢投資步伐,切勿盲目投資,新的一輪技術浪潮下,現在的設備極有可能淪為不賺錢的一對廢銅爛鐵。儲備資源保護現金流,準備迎接下一波技術升級浪潮吧。
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