新型高效光伏組件技術對比及經濟性分析

王大才,曾 杰,陳衛鵬

(1.大唐海南能源開發有限公司,海南 海口 570100; 2.長江勘測規劃設計研究有限責任公司,湖北 武漢 430010)

0 引 言

光伏電池技術的發展歷程最早可追溯到19世紀末,第四代光伏電池于2000年后開始使用,且種類多樣,包括有機材料、無機材料和混合材料,可以實現高效率和長壽命的結合,效率已經超過26%[1]。

隨著中國“四個革命、一個合作”的能源安全戰略重要論述的提出,以及中國2030年實現碳達峰規劃的目標,中國光伏行業協會預測,“十四五”期間,中國年均光伏新增裝機規模預計達到70～90 GW。碳中和目標下,在市場需求以及政策鼓勵的雙重推動下,光伏發電呈現爆發性增長[2]。

本文結合中國能源結構轉型和構建清潔低碳、安全高效的現代能源體系目標,總結了新型高效光伏組件的發展,以光伏組件轉換效率提升為主線,從單晶替代多晶、N型替代P型的行業發展實際,引入新型高效N型光伏電池技術介紹,重點分析了新型高效N型TOPCon組件的特點與主要優勢,并以海南100 MW光伏項目工程為例,分析N型組件設計方案經濟性。

1 新型高效光伏組件市場趨勢

光伏組件技術發展迅猛,主要包括單晶硅組件、多晶硅組件、薄膜組件。由于單晶硅光伏組件光電轉換率較高,其量產PERC組件轉換效率已超過21%,在弱光條件下表現比同類產品更好,占據絕大多數市場份額。從技術原理上講,單晶硅組件分為P型組件和N型組件,硅片摻雜磷元素的是N型,摻雜硼元素的是P型。從技術路線上講,N型組件具有轉換效率更高、衰減率更低等優勢,是新型高效組件技術未來的發展方向。當前領先的組件廠商已開啟N型組件大規模商業應用和推廣,其量產N型組件轉換效率已超過22%。未來隨著生產成本的降低及良率的提升,市場需求開始偏向高效產品,新型高效光伏組件將加快創新和突破[2]。隨著太陽能電池技術的不斷發展和優化,太陽能電力的成本將繼續降低,其在能源行業的地位日益重要。

2 新型高效光伏組件發展

2.1 技術發展

單晶硅電池逐漸代替多晶硅電池,當前P型PERC電池為市場主流產品,并趨近理論轉換效率極限(24.5%),很難再有大幅提升,面臨技術替換升級。隨著光伏技術的持續突破,高效率、低衰性、耐高溫、收益率更高的N型電池應運而生。從光伏電池技術發展路線看,由P型單晶電池轉換效率17.5%～18.7%,發展到P型單晶PERC電池轉換效率21.2%～23%,最后發展到單晶N型電池24.5%～26%,光伏電池技術路線見圖1。2021年,規模化生產的P型單晶電池均采用PERC 技術,平均轉換效率達23.1%,N型TOPCon電池平均轉換效率達24%,HIT電池平均轉換效率達24.2%,IBC電池平均轉換效率達24.1%[2-3]。

圖1 光伏電池技術路線Fig.1 PV cell technology roadmap

2.2 N型光伏電池

光伏組件發展正處于技術加速迭代期,發展趨勢是由P型PERC向轉換效率更高、發電量更高的N型組件轉變。N型雙面電池是以磷摻雜的硅片為基底,在硅片的正反面均進行發射極、減反射膜以及金屬電極制備的太陽能電池。目前N型電池主要有TOPCon、HIT、IBC[4]。

(1) TOPCon電池(隧穿氧化層發射極鈍化電池)。基于選擇性載流子原理的隧穿氧化層鈍化接觸技術,其電池采用N型硅襯底,背面為超薄氧化層+摻雜硅薄層的復合結構,形成良好的鈍化接觸結構,能有效降低表面復合和金屬接觸復合;電池背表面為H型柵線電極,可雙面發電,全面提升電池的性能。TOPCON技術理論轉化效率上限接近晶硅極限的28.7%,并且可基于現有PERC產線升級改造,因此成為目前各廠家主力開發的N型技術,電池基本結構見圖2。

圖2 TOPCon電池基本結構Fig.2 Basic structure of TOPCon battery

(2) HIT電池(異質結電池)。基于N型單晶硅和非晶硅兩種材料構成,同時借助非晶硅材料的高帶隙性,與單晶硅接觸存在導帶差和價帶差,可以更有效分離載流子,提高載流子的收集效率;在電池結構和工藝方面優于其他電池技術,無需高溫爐管制備,可降低生產能耗并縮短制備時間。這類電池優勢在于超高的電池轉換效率、低制程溫度以及可向薄片化發展,有較大概率成為下一代電池主流技術,其基本結構見圖3。

圖3 HIT電池基本結構Fig.3 Basic structure of HIT battery

(3) IBC電池(背接觸電池)。電極印刷在電池背面,載流子收集于電池背面,完全消除正面柵線的遮擋損失,有效增加正面發電面積,同時背面用較寬的柵線來降低串聯電阻,提高填充因子,達到提升效率的目的,其早期光電轉換效率就超過了25%;其核心工藝是在電池背表面構成交織排布的p+區和n+區,并在背表面完成金屬化工藝,流程工序多、技術難。這類電池雖然效率高,但成本是普通電池成本的2倍,短期內成本下降無望,只能在特定應用場景具備優勢,短期量產有一定難度。IBC電池基本結構見圖4。

圖4 IBC電池基本結構Fig.4 Basic structure of IBC battery

2.3 N型TOPCon與P型PREC組件特點對比

(1) 硅片少子壽命。硅片摻磷,為N型襯底;硅片摻硼,為P型襯底。N型硅片少子壽命800 μs以上、P型則為70 μs以上,N型高一個數量級,硅片質量更好。

(2) 電池鈍化工藝。N型TOPCon技術背面采用單晶硅鈍化,正面采用氧化鋁鈍化;P型PREC技術背面采用氧化鋁鈍化,正面采用氮化硅鈍化;N型電池因為硅片質量高、界面鈍化工藝更優,電池轉換效率高出1%(絕對值)。

(3) 組件功率。以72半片雙面雙玻組件為例,標準尺寸1 134 mm×2 278 mm下,N型TOPCon組件功率為555～560 W,P型PERC組件功率為535～540 W,N型高出15～20 W。

(4) 單瓦發電量。海南文昌光伏項目緯度19.871 9 °N,地形平坦,年總輻射量5 482.4 MJ/m2,多年溫度23 ℃～29 ℃,反射率25%～45%,采用N型TOPCon組件比P型PERC組件的發電量高3%以上,其中光致衰減LID貢獻約1%、溫度系數貢獻約1%、雙面率貢獻約1%、弱光效應貢獻約0.5%。

2.4 N型TOPCon與P型PREC組件優勢對比

(1) 低衰減率。N型組件與P型組件相比,首年衰減由2%降至1%,線性衰減率由0.45%降至0.40%,30 a后輸出功率不低于原始輸出功率的87.40%,質保期長。

(2) 高轉換效率。TOPCon電池具有更高的效率極限,為28.2%～28.7%,遠高于PERC電池的24.5%。目前N型量產電池效率超25%,組件效率超22%,均高于P型。

(3) 高雙面率。P型組件雙面率最高70%,N型組件雙面率最高85%,發電能力優化可帶來發電增益。

(4) 弱光性更好。N型TOPCon組件具有更高的內阻,更長的少子壽命,天然具有更優的弱光響應,與PERC組件比,早晚發電時長延長1 h左右。

(5) 低溫度系數。N型組件溫度系數為-0.30%/℃,P型組件的溫度系數為-0.35%/℃,N型組件溫度系數小,熱損降低,高溫地區可帶來更多發電量。

3 新型高效N型組件經濟性分析

基于海南100 MW光伏項目工程應用實踐,對單晶雙玻P型540Wp組件、N型565Wp組件、P型650Wp組件這3種組件,在相同條件下進行經濟性分析研究,對比可見N型組件收益率最高,P型(功率為650 W)組件收益率居中,P型(功率為540 W)組件收益率最低[5-6]。光伏組件主要參數見表1,其中,選用固定支架13°,支架高度2 m(組件最低沿離地),交流側電池容量100 MW,直流側電池容量130 MW,容配比1.3。

表1 光伏組件主要參數及經濟性比較

分析比較N型565Wp組件與P型650Wp組件得到:N型TOPCon組件成本增加約5%,項目總投資成本增加約2%,項目首年發電量增加約1.5%,全投資收益率增加約1.2%,度電成本降低約0.66%,主要經濟性指標均有較大提高,能有效提升項目價值。綜合考慮N型新組件先進性、發電量、度電成本等因素,項目最終選擇N型組件進行方案設計[7]。

根據項目實際,新型高效N型TOPCon組件相較P型組件的經濟性優勢分析如下:① 更高發電量。N型TOPCon組件良好的雙面率、溫度系數及弱光響應,可獲得比P型組件更多的發電量。② 更低度電成本。在N型TOPCon組件比P型組件價格高出5%情況下,其度電成本仍然低于P型組件。③ 更高收益率。同一項目下,N型TOPCon組件比P型PERC組件有更高的項目全投資財務內部收益率。④ 更低周邊系統。得益于N型TOPCon組件更高的效率值,其相對P型組件在土地、基礎、支架以及線纜等方面均有節約。

4 結 語

新型高效N型組件技術先進,具有電池轉換效率高、發電量高、衰減率小、溫度系數小、雙面率高、弱光表現好等特點,具備較好的市場應用前景。光伏項目實踐表明,項目選用N型TOPCon組件,項目發電量、全投資內部收益率等主要經濟指標均有較好的改善,能有效提升項目價值。新型組件技術加速迭代,呈現爆發性增長,有望通過技術進步快速實現能效提升以及成本下降,高速發展。