《光伏技术创新:单晶硅片尺寸存在变大趋势》

  • 来源专题:中国科学院文献情报先进能源知识资源中心 |领域情报网
  • 编译者: guokm
  • 发布时间:2019-03-18
  • 这些年,光伏技术一直在快速地发展,电池方面高效PERC,双面电池、黑硅等技术陆续投入大批量生产,N型与异质结技术也开始有一定市场份额;组件方面双玻、半片、多主栅、叠瓦等技术也进入大规模产业化阶段。我们再看来单晶硅片方面,除了在拉晶、切片等环节取得很多技术突破(如多次拉晶技术、金刚线切割技术等)之外,另一个值得关注的现象就是单晶硅片的尺寸存在着变大的趋势。

    在2010年之前,单晶硅片主要以对边距125mm(硅棒直径f164mm)的小尺寸硅片为主,并有少量对边距156mm(f200mm)的硅片,2010年后,156mm硅片的比例越来越大,并成为行业主流,125mm的P型硅片在2014年前后基本被淘汰,基本仅应用于一些IBC电池与HIT电池的组件。在2013年底,隆基、中环、晶龙、阳光能源、卡姆丹克5家企业联合发布了M1(156.75-f205mm)与M2(156.75-f210mm)硅片标准,在不改变组件尺寸的情况下,M2通过提升了硅片面积(提升2.2%)使组件功率提升了5Wp以上,迅速成为行业主流并稳定了数年时间,期间市场也存在着少量M4规格(161.7-f211mm)的硅片,面积比M2增加了5.7%,产品以N型双面组件为主。

    到2018年下半年,因市场竞争加剧,诸多企业再次把目光投向硅片,希望通过扩大硅片尺寸提升组件功率以获得产品竞争力。一种思路是沿着M2的推出思路,不提高组件尺寸的情况下继续提高硅片对边距,纳入考虑的尺寸包括157、157.25、157.4mm等,但获得的功率增加比较有限,另一方面增加了对生产精度的要求、还可能影响了认证兼容性(如无法满足UL的爬电距离要求)。另一种思路是是沿着125mm提升到156mm的思路把组件继续做大,如158.75mm规格的倒角硅片或全方片(f223mm),后者将硅片面积提高3%左右,使60片电池组件的功率提高了近10Wp;同时一些N型组件制造企业选择了161.7mm对边距的M4硅片;另外也有企业在准备推出166mm对边距的硅片。

    那么我们来分析一下,为什么硅片尺寸会变得越来越大呢?

    1.从生产的角度来看,电池、组件以片/块来计的生产速率(片/小时、块/小时)基本固定,提升硅片尺寸可以使单位时间产出的电池、组件功率获得提升,这样分摊到每Wp的设备、人工乃至公司的其他成本都将减少从而降低了电池和组件的制造成本,这在125mm硅片切换成156mm硅片时尤为明显。

    2.从电站系统成本的角度来看,以地面电站为例,相同效率下,因硅片尺寸增大获得的高功率的组件保持着同样的串联数量,因此单体支架上的组件功率就会相应提升,平摊到每Wp的支架、桩基的成本就将降低;在大组件对人员搬运、安装速度影响不大的情况下,按Wp计的组件、支架安装效率就会提高;由于单位方阵的容量由逆变器决定可视为固定,这样高功率组件会使汇流箱或组串逆变器的用量减少,支架用量的减少会使方阵的占地面积缩小(考虑到支架的前后间距和左右间距),同时支架与占地的减小将会使电缆的用量得到削减。根据相关测算,使用166mm硅片的425Wp组件将比使用M2硅片的380Wp组件(均为72片电池版型)节省至少5分/Wp的BOS成本,如果使用跟踪支架或是在海外人工成本较高的地区,节省的BOS成本将进一步提高。

    综合以上两点来看,在设备生产与人员搬运允许的前提下,硅片的尺寸应尽量做大,这样可以获得更多的电池组件成本与系统BOS成本节省,基于这个理由碲化镉薄膜电池代表企业FirstSolar直接把组件尺寸从第四代的1200600mm提升到20091232mm,近2.5m2的组件面积与35kg的重量应是其综合分析后得到的极限值。对于晶硅组件,也该像125mm调整到156mm一样借这次行业变更的机会调整到一个能稳定多年的更具性价比的尺寸。根据微信文章《大尺寸硅片,单晶更容易实现!》,硅片做大的主要制约因素在于电池的扩散炉,在硅片尽量做大而扩散炉直径有限的背景下,有一定倒角的单晶硅片应该比全方单晶硅片有一定优势。

    总之,硅片变大可以为光伏产业带来明显的价值,主要企业应借此次机会尽快统一一个能够相对稳定多年的尺寸规格,从而减少产线改造与组件认证费用上的重复投资,166mm单晶硅片现阶段看起来作为产线兼容的最大尺寸是相对不错的选择。

相关报告
  • 《光伏“标准尺寸之争”再起》

    • 来源专题:能源情报网信息监测服务平台
    • 编译者:guokm
    • 发布时间:2021-03-31
    • 从156毫米、166毫米、182毫米再到210毫米,近两年,关于光伏硅片“尺寸”的争论,从未停息。2019年,166组件和210组件的激烈对垒打开了大尺寸硅片“尺寸之争”的大门,而182组件在2020年成为了210组件的有力竞争者。 “毫米”之争的背后,不仅是对尺寸的突破,更是一场光伏产业降本增效、实现全面平价上网的技术竞逐,由此带来的组件、辅材以及产品性能的改变,都成为企业战略选择的关键考量。 阵营更加清晰 随着光伏企业的大尺寸产品扩产规划相继发布,182、210硅片阵营愈发清晰,182硅片阵营主要以隆基、晶科、晶澳等7家公司为代表,并于2020年6月联合倡导建立了182光伏硅片标准(M10)。 晶澳科技向本报记者表示,该公司于2020年5月推出了基于182硅片的组件,当年10月在国内首次出货,后续陆续出货至欧洲、北美等成熟市场和新兴市场,广受欢迎。“预计2021年底,182系列组件出货量比例将达到公司整体出货量的50%甚至更高。” “我们目前主要售卖的一款182尺寸产品,是72片电池的单面和双面组件。年初销售量达到了2GW,签单及意向订单达到了12GW。”隆基乐叶高级产品经理李绍唐向记者透露。 晶科能源的Tiger Pro系列,也是基于182尺寸的产品。“今年新增的产能,从硅片、电池到组件都将规划生产Tiger Pro。”晶科方面透露,“目前排单量已经超过10GW。” 天合光能、东方日升、中环股份等8家企业也于2020年11月联合发布了“光伏210标准化倡议”。中环股份副董事长、总经理沈浩平表示:“公司210尺寸硅片需求量很大,预计全年出货量在40-45GW左右,会通过技术驱动、项目扩产等方式,争取全年出货达到50GW以上。” “天合光能基于210毫米大尺寸硅片推出的Vertex至尊系列超高功率组件,最高功率可达670W,效率达21.6%。另外,至尊小金刚系列组件在功率、尺寸、重量、外观、安装简易性、负载、可靠性和安全性等关键领域表现出色。”天合光能相关负责人告诉记者,预计2021年底,该公司组件产能将达到50GW年产能规模,电池将达到36GW年产能规模。 东方日升也针对210组件推出了系列新品 。“2019年12月,公司全球首发500W组件,不久后,与马来西亚TOKAI公司签署了世界上第一个500W高效组件项目订单,并快速完成了首批出货。波兰、巴西、韩国等重要光伏市场,均与公司签订了210系列产品的供货订单。”东方日升相关负责人告诉记者。 表现如何各执一词 从应用场景到实证表现再到发展前景,两大硅片尺寸表现如何? “在全产业链各个环节的努力下,182电池与组件的制造工艺已经完备且成熟。”据晶澳科技介绍,182产品在生产设备成熟度、工艺普及率、辅材成熟度、物流运输成本等方面均具备很大优势,一体化单瓦成本相较其他尺寸硅片的产品更低,并且在电站初始投资以及度电成本方面优势明显。 李绍唐表示,182尺寸产品在设计之初对产品各方面进行了合理性考量。“在系统端、逆变器的配套上兼容,有利于产品全生命周期的维修与替换。” 晶科能源也指出,182组件基于系统最优光伏组件尺寸的逻辑出发设计,综合表现优异,是从全产业链环节确定的最佳组件设计方案。 有业内人士则持相反意见,认为210硅片因具有较强的降本增效能力,且在技术层面兼容性更强,以210为标准是降低光伏度电成本、实现光伏全面平价上网的最优选择。据东方日升介绍,“210系列产品及电池、组件设计的标准化,给下游系统设计和产品选型带来了极大的方便和成本下降。” 天合光能指出,“目前210产品线已经逐渐成熟并丰富,应用场景多样化,在市场上也开始大规模应用,需求和产能同步扩张,从长远来看,210将是市场主流的选择。” 针对210组件量产、运输等方面的质疑声,天合光能表示:“210组件已于2020年正式量产并出货,当年底订单已超10GW。另外,600W+组件已于2021年3月正式量产。” 东方日升指出,进入2021年以来,210系列组件配套产业链已取得全新进展。“年初,全球三大逆变器企业接连宣布适配210超高功率组件的逆变器落地上市,并于3月进入量产。7家全球领先的光伏跟踪支架制造商相继发布全面适配210超高功率组件的认证声明,是全球支架领域的又一次全面升级。3月初,玻璃厂商也先后宣布突破宽度瓶颈,完全适配210大尺寸组件。” 天合光能表示,“回首这一年半以来,大尺寸组件的发展历程,各环节产能、产业链配套、技术成熟度、项目实测以及组件应用等都取得了长足的进步。以210硅片为例,据PVINFOlink统计,预计今年年底大尺寸硅片产能超220GW、210电池产能超过172GW、210组件产能将达到120GW以上。” “最佳标准”需市场验证 “力主182硅片的企业认为它技术成熟,全产业链配套完善,还未到更新换代的时间节点。若全部换成210硅片,就需要重新投资,上新产线,旧产线折旧压力较大。”中国新能源电力投融资联盟秘书长彭澎告诉记者,“但是,因为组件功率的提高对于节约土地、减少非技术成本具有明显优势,所以整个行业向210尺寸的转换速度目前快于预期。” “据不完全统计,2021年,支持600W +组件的光伏玻璃实际供应量将超50GW,2022年将进一步放量至120GW以上,供应充足有保障。”东方日升指出,随着配套产业链逐步完善,将会更强有力地推动光伏全产业链合作,加速光伏度电成本下降。 天合光能指出,超高功率组件对于传统组件的替代化进程正在加速。在硅片价格攀升导致组件成本上涨的今天,超高功率组件持续降低度电成本得到了投资方的认可。“得益于2019年中环股份突破性的推出210尺寸的硅片和天合光能等龙头组件企业推出210系列组件。光伏组件以往年均10W左右的功率提升速度被打破,一举从400W迈入500W乃至600W的时代,为降低度电成本提供了全新的思路。” “组件尺寸是否合适应由市场决定,组件尺寸适当增加,有助于系统降低系统成本,但有边际条件。随着尺寸的继续增大,成本下降趋势趋缓,反而带来机械载荷、隐裂等可靠性风险,在系统端增加了运输与安装的难度,对支架尤其是跟踪支架提出了严峻挑战。”晶澳科技认为,不仅要增加组件尺寸来提升功率,更需要专注于产品技术进步和转换效率的提升。 李绍唐指出:“在‘30·60’双碳目标下,光伏产业还会有更广阔的发展空间。与其纠结尺寸,不如思考未来光伏技术创新的方向,回归到光伏技术的本质,进一步推动电池组件转换效率提高,推动系统发电能力提升,不断降低光伏度电成本。” “究竟哪种尺寸的硅片更合适,基本上都是企业自发行为。无论是电站投资企业还是设备企业,还是要根据市场实际情况选择。”彭澎说。
  • 《全球材料行业未来10大趋势和创新》

    • 来源专题:中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者:冯瑞华
    • 发布时间:2020-11-18
    • 工业4.0不断发展,能源、汽车、物流、制造、建筑及其它工业领域正在发生变革,这些变化带来对新材料的需求。 材料行业的趋势包括:可持续性,轻量化,3D打印和表面工程解决方案,智能材料的开发,纳米技术和具有增强特性的先进复合材料。此外,人工智能(AI),机器学习(ML)和数据管理实践的广泛采用使科学家们能够更快地探索和开发新型材料,从而将新材料技术市场化时间从几十年缩短到了几年。 树状图:行业趋势对材料行业的影响 树状图描述了十大材料行业趋势对企业2020年及其后的影响。新创企业现在正在开发可持续,智能、响应型材料以及对材料物理性能改善。例如,可生物降解的塑料,热适应性织物或柔性显示器。包括纳米材料和生物材料在内的新型配方为现有材料赋予了新的功能,同时扩大了创新范围。增材制造,先进复合材料和2D材料也促进了各种轻量化材料的发展。除了材料信息和管理,表面工程还影响到能源,汽车和建筑到生物技术,医疗保健和纺织等多个行业。 ●2020年及2020年以后材料行业10大趋势● 1.可持续材料 使用和生产过程中产生的大量废物迫使政府起草各种法规。如果从材料全生命周期的角度重新审视其内部流程,几乎所有的企业都将面临挑战。建筑,汽车,包装和制造行业的公司正在将可持续材料整合到自身的加工制造过程中,并将可再生能源纳入其流程。最终,这些努力旨在减轻地球上的废弃物。可持续材料还为循环系统提供了动力,实施循环经济。Spectalite – 生物基材料印度初创公司Spectalite旨在协助汽车,物流,包装,酒店和消费品行业实现其可持续发展目标。Spectalite基于农业废弃物和可再生资源生产可生物降解和可循环利用的化合物。这家初创公司的产品在保护自然沉积物和森林的同时,还确保了对现有制造工艺的可扩展性和适应性。eCO2Blocks – 可持续的建筑材料葡萄牙初创公司eCO2Blocks 将循环经济应用于制造可持续建筑材料。其主要产品为不含任何水泥的碳负路面砖——利用工业废物,非饮用水和二氧化碳吸收技术,不挪用自然资源。 2.智能材料 为了迎合某些特定行业项目的需求,企业正在开发具有特定应用特性的新型材料。材料科学的进步使我们可以去创建具有可编程属性的智能材料,这些材料对自外部因素的刺激做出反应或者反馈动作。涌现大量公司致力于设计具有多种特性的材料和产品,如热致变色,电致变色,光致变色,压电性,形状记忆,自我修复和相变属性以及其他特征。Memetis –高性能执行器基于形状记忆合金技术,德国初创公司Memetis 制造了超紧凑的微型执行器。形状记忆效应能够让材料保持极端的变形,条件合适可以恢复为原始形状。因此,即使在狭小或密实的安装空间中,执行器可以照样工作。Memetis为消费电子,电信,光学技术,移动性和工业4.0领域提供解决方案。Sorex传感器–薄膜体声谐振器(FBAR)技术Sorex Sensors是一家英国初创公司,开发了一种硅晶片上的高灵敏度微机电系统(MEMS)传感器,这种传感器使用的是薄膜压电材料。Sorex Sensors利用FBAR技术来产生压电效应,从而使其能够以飞克级精度准确检测温度和质量变化。这就让低功耗要求的小型设备可以对外部刺激做出响应。该解决方案的一些应用包括薄膜计量以及气体和颗粒物监测。 3.纳米科技 纳米级材料的特性显而易见。不断丰富的纳米材料家族,如纳米纤维,纳米管,同素异形体,量子点 (QD)和其他纳米结构为工业产品的性能增强带来无限可能。借助纳米颗粒的力量,同时期的公司可以确保自己独特的竞争优势,特别是在电子,能源,移动性和制造领域。Nanolumi –钙钛矿纳米晶体总部位于新加坡的初创公司Nanolumi 使用其可靠且安全的钙钛矿纳米晶体来克服电子显示器QD技术的弱点。这家初创公司结合了无镉原料,广泛的光谱覆盖范围,更纯净的色彩性能以及大批量量产适用性的优势。Nanolumi的产品还计划取代用于高级电子产品的常规钙钛矿纳米晶体和QD。BNNano –增强氮化硼纳米管总部位于美国的初创企业BNNano 生产具有超疏水性,高电绝缘性以及高热稳定性和机械稳定性的氮化硼纳米管。该公司提供粉末,中间合金,母料和定制混合物,以增强航空航天,汽车,国防和纺织应用以及辐射防护和热管理的性能。 4.增材制造 新兴的增材制造技术正在奋力赶超传统的热塑性塑料,为材料的使用提供更大的灵活性,定制性和功能性和更少废料。3D打印技术的进步反过来又刺激了金属,合金,陶瓷,纤维及其化合物的升级。增材制造技术促进全新的且耐用的聚合物长丝的性能改善,如导电性,熔融性,紫外线(UV)和耐化学性等特性。MAT3D –复合高分子材料意大利初创公司MAT3D 正致力于开发用于增材制造的新型聚合物材料,以增强其功能属性。该公司的目标是可替代金属3D打印的高性能塑料以及具有增强的电,磁,抗菌和热机械性能的各种树脂,以用于工业市场。彩色3D材料– 3D打印聚氨酯总部位于美国的初创公司Chromatic 3D Materials 生产了一组耐用的高性能聚氨酯弹性体,用于3D打印,同时具有适应性和弹性。Chromatic 3D Materials提供很高的定制性空间以及与添加剂的兼容性,同时还确保了最终产品的质量。Chromatic 3D Materials的产品可满足汽车,制造和消费品市场等需求。 5.轻量化 从航空航天到汽车的各个行业,都在寻找创新的方法来减轻多余的重量,从而提供出色的燃油效率和操控性。这推动了对铝,镁和钛等材料以及高强度塑料和碳纤维的研究。这些材料减轻因其较重零件而引起的环境和运营负担。轻量化还提供了与同类产品相当的安全性和可靠性水平。TxV Aero –航空航天复合材料制造总部位于美国的初创公司TxV Aero 设计师和工程师们定制层压材料和复合材料成品,用于商业航空航天领域,包括电动垂直起降(eVTOL)工具。该公司使用先进的技术制造具有定制功能的轻质热塑性塑料组件,包括层定向,垫层,近最终形状等。此外,TxV Aero致力于改装航空应用,以提高整体生产率。Fibratech –复合材料汽车车轮波兰初创公司Fibratech 希望去克服铝汽车领域的性能局限。因此开发了碳纤维增强的复合金属混合物汽车轮毂。与锻造铝轮毂相比,Fibratech的材料可实现总体质量的减轻,刚度的提高和设计的可定制化。 6.材料信息学 如今,大公司用数据驱动的方法来处理材料,信息学、计算技术以及机器学习和人工智能等原理技术更强化这种变化。这样材料数据可以被精心编排和模型化。此外,除了从复杂的材料数据中可靠的优选出科学见解的能力外,信息还加快了研发(R&D)的时间表,节省了以前耗时且耗力的过程。Kebotix –自动驾驶材料发现实验室美国初创公司Kebotix 开发了一种自主运行实验室解决方案用于材料研究,以加快对新材料的探索。这家初创公司利用大数据管理,基于AI的决策,专用机器人和便利的交互界面来简化科学家的周期往复的工作。该公司对应对可持续性,公共卫生和有害工业物质方面的挑战特别感兴趣。Matelligence –基于AI的材料筛选加拿大初创公司Matelligence 计划为材料科学专家提供数据驱动的材料工具用来探索新材料。他们的解决方案包括具有专利人工智能算法的计算技术,以减少科学实验次数并加快筛选程序。Matellligence的平台针对清洁能源,电子,制造等领域。 7.先进复合材料 工业应用的迅速增加也带动了多种复合或混合材料的发展。为了提高性能和符合法规,降低成本并结合客户的喜好,新创公司计划在树脂,纤维,基材,基体和饰面材料方面进行创新,以制造定制复合材料。这些解决方案提供了针对特定用户的高级应用产品,主要用于基础设施,能源,工业4.0和移动性市场。AMP Industrial –螺旋桨用连续纤维复合材料总部位于美国的新创公司AMP Industrial 制造用于无人机系统(UAS)的先进复合材料。这家公司在工程单向连续纤维增强热塑性塑料(CFR-TP)方面拥有技术专长。AMP Industrial的复合材料的优势在于其高的比强度和材料韧性,以及为高性能应用方面的可定制化设计。ARCEON –耐高温复合材料(HTRC)荷兰初创公司ARCEON 为卫星,火箭和发动机零件提供创新的耐高温复合材料(HTRC)。他们的产品可承受超过1000摄氏度的温度,保持低热膨胀系数,包含轻质材料,具有增强机械强度和耐用性。 8.石墨烯和2D材料 纳米技术的突破使材料科学公司能够为2D或单层材料布置路径。二维材料固有的导热性和机械强度,可为工业应用提供增强的功能。但是,除石墨烯之外,大多数2D材料(例如锗烯,硅烯,锡烯和磷烯)仍在开发中。作为首个实现商业化的2D材料,石墨烯可在众多商业化市场中提高拉伸强度,片内强度,表面耐久性,电子迁移率,柔韧性和耐热性。这些领域涵盖电子显示器,超级电容器,汽车,建筑涂料和塑料制造。离子工业–石墨烯材料澳大利亚初创公司Ionic Industries 希望弥合石墨烯研究与开发其商业应用之间的差距。该公司融合了石墨烯和氧化石墨烯制造的专业知识和专利工艺。Ionic Industries专门从事用于水处理和纳滤以及储能的石墨烯添加剂。碳水–液态石墨烯应用法国初创公司Carbon Waters 专注于各种市场的液体石墨烯应用。该初创公司的石墨烯分散体为工业表面和机械装置提供了隔离涂层,润滑和抗腐蚀性能。此外,该解决方案还改善了电子和半导体的热管理以及制造和消费类设备的导电性。 9.表面工程 暴露于持续的磨损,腐蚀,紫外线和其他有害因素的环境下,工业表面需要具有更好耐久性的涂料。这对于保护汽车,工业,农业,船舶和制造资产以及提高生产率至关重要。此外,工程创新还为赋予表面疏水性和全疏水性,自清洁和平滑性提供了可能性。在COVID-19疫情爆发后,表面工程师致力于掌握抗菌剂,以在工业和非工业场所提供更可靠的保护。SolCold –反斯托克斯荧光技术以色列初创公司SolCold 基于纳米过滤器和主动冷却涂料开发了表面改性创新技术。Sol Cold新产品的基础是“反斯托克斯线(Anti-Stokes)荧光”技术,SolCold致力于将太阳的热量和辐射转化为低成本的冷却系统。这家初创公司的技术在太阳活动和热传递之间建立了逆向关系。该解决方案适合运输,建筑,农业和纺织行业。OPUS材料–定制材料技术英国初创公司 OPUS Materials 工程师为航空航天,电信,建筑,交通,船舶,可再生能源领域提供创新的防污和自洁涂料。该公司致力于改善燃油消耗和气流,减少腐蚀并优化材料效率。另外,OPUS允许通过设计来创建涂料,并且还支持建立相应的供应链。 10.材料管理4.0 工业4.0正在改变制造价值链的面貌,促使其在物料管理,处理和加工中实践的实施。跨越自动采矿和先进的自动化制造,再到机器人操纵和云计算,材料领域正在迅速数字化和互联网化。结果,新材料的开发与第四代工业技术的工业适应性发展同时进行。INTSITE –采矿现场优化以色列初创公司INTSITE通过一套AI增强的自动化解决方案来解决物料搬运和采矿效率低下的问题。该公司优化了运动轨迹,机器对机器的通信以及机器视觉算法。此外,INTSITE的互联自动重型机械使站点所有者可以提高物料搬运效率和组织效率。Seriforge -大规模定制为碳纤维总部位于美国的初创公司Seriforge 致力于将自动化技术引入碳纤维制造中,以实现高产量和短周期。Seriforge阐述了获得专利的缝合和网状预成型程序。这家初创公司的解决方案为碳纤维零件的可扩展制造提供可能。