2014年多晶硅片转换效率将超18%

 中国电子报、电子信息产业网  作者:
发布时间:2013-05-07
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  北京京运通科技股份有限公司 黎志欣


  光伏硅片是生产太阳能电池和组件的基本材料。每年有超过70亿片光伏硅片被用于生产太阳能电池,因此硅片的生产技术对光伏产业有着十分重要的意义。


  光伏硅片的原料是高纯多晶硅。用于生产光伏硅片的多晶硅纯度必须在6N级以上(即非硅杂质总含量在1
ppm以下),否则光伏电池的性能将受到很大的负面影响。


  2007年后多晶硅片占比反超


  生产光伏硅片有多种不同方法:运用传统的长晶切片技术可以生产出单晶和多晶硅片;而利用无切缝技术(Kerf-free)则不需切片过程,可以直接利用硅液、含硅气体、或硅晶体生产硅片。


  单晶和多晶硅片为大家所熟知,其优点是技术成熟、质量可靠、适于大规模生产,但切片过程由于切缝而损失了近一半的硅料。为了减少硅料损失,各种不同的无切缝技术于是被研制出来。


  图1是无切缝硅片在太阳能电池生产中所占比例的变化趋势图。由图中可见,此类硅片所占市场份额在过去几年中不断减少,现已远低于1%。


  图2是单晶硅片和多晶硅片所占相对比例在过去几年的变化趋势。由该图可见,2007年前后单晶硅片所占比例与多晶硅片几乎相同。但最近几年多晶硅片所占比例不断上升,而单晶硅片所占比例不断下降。现在的比例大约是多晶硅片占70%,单晶硅片占30%。这一变化的原因在本文中也会加以说明。


  图3是多晶硅片价格在过去几年的变化趋势。由图中可见,硅片价格在2010年第四季度达到3.8美元每片的高点,随后不断下降。现在硅片价格约为0.8美元每片,不及两年前的1/4。


  这些变化趋势,是市场条件和技术进步相互作用的结果。


  技术进步提升市场竞争力


  过去几年,多晶硅片生产技术有了显著进步。例如,多晶铸锭技术已从G4(每个硅锭重约270公斤,可切4×4=16个硅方)进步到G5(5×5=25个硅方),然后又进步到G6(6×6=36个硅方)。现在京运通公司已推出最新的G7铸锭技术,每个硅锭重达1200~1400公斤,可切7×7=49个硅方,生产效率大大提高。


  随着生产效率的提高,单位生产成本相应降低。使用较新的G6或G7铸锭技术,每公斤硅方的长晶相关成本与较旧的G5技术比较可降低20~30元,相当于每个硅片的成本降低了0.4元以上。考虑到现在多晶硅片的市场价格仅为5.8元左右,这一成本节省对生产厂家有重大意义。


  新的多晶铸锭技术不但可降低成本,同时也可提高硅片质量。例如,G6和G7硅锭所产硅片的平均质量就要比G5和G4硅片高。这是因为相比起G4和G5,G6和G7硅锭拥有较多的中心硅方,而中心硅方距离坩埚壁较远,铸锭过程中受坩埚中所含杂质的污染较少,因此硅片质量较高。G6和G7各有16个和25个中心硅方,而G4和G5只分别有4个和9个中心硅方。使用G6和G7硅片生产的光伏电池也因此具有相对较高的光电转换效率。


  为了提高光电转换效率,最近光伏业界又推出了高效多晶铸锭技术。使用普通的电池片制作工艺,高效多晶硅片可达到17.3%以上的转换效率,现在最高可达18%左右。高效多晶铸锭技术的关键在于降低晶体中的位错和其他缺陷。业界估计至少有十余种方法制作高效多晶,例如使用单晶碎片或多晶碎片作为籽晶,使用特殊坩埚或热场等等。


  多晶硅片成本的降低和转换效率的提高,使多晶硅片的市场竞争力不断提高。图4是各种不同硅片技术的市场竞争力路线图。该图的纵轴是硅片的光电转换效率,横轴则是硅片的成本(倒数)。图的左下方区域表明成本高而转换效率低,因此缺少竞争力。图的右上方区域表明成本低而转换效率高,因此竞争力很强。2010年,多晶硅片的转换效率约为16%,价格约为每片3~4美元(见大菱形数据点),定义的竞争力曲线是左下方的曲线。当时,绝大多数硅片技术都位于该曲线的右上方。因此,都具备一定竞争力而为市场所接受。到了2012年年底,多晶硅片的转换效率提高到17.2%左右,价格降到了每片0.8美元左右(见圆形数据点),相应的竞争力曲线是中间的曲线。从图中可看到,此时多数其他硅片技术都已位于该曲线的左下方,包括普通(P型)单晶硅片,意味着这些技术已逐渐失去竞争力,市场占有率不断降低。到2014年,多晶硅片的转换效率预计将提高到18%以上,而成本降至每片0.5美元以下(见方形数据点),相应的竞争力曲线是右上方的曲线。从图中可看到,几乎所有其他硅片技术此时都已位于上方曲线的左下方,失去了竞争力。唯一可能的例外是超薄的N型单晶片。因为N型单晶片转换效率可达23%以上,如其能如预期进一步降低成本,则可能仍然具备对多晶硅片的竞争力。光伏硅片生产技术的发展趋势表明,将来的硅片市场应该是高效多晶硅片和超薄N型单晶片相互竞争的市场。


  成本和效率是决胜关键


  过去两年光伏多晶硅片转换效率不断提高,成本逐步降低,市场占有率也不断提高。


  今后一段时间,这一技术趋势预期还将继续。两年后以多晶硅片为基础的光伏电池的平均转换效率有望超过18%,成本有望低于每片50美分(约每瓦12美分)。


  多晶硅片技术的上述进步对其他硅片技术形成压力。多数这类技术将因为进步相对较慢,缺乏竞争力而逐渐失去市场。


  一方面,硅片市场的“效率门槛”不断提高。两年前转换效率高于10%即可进入市场,现在如效率低于15%,则无论价格多低都不可能进入主流市场。两年后这一“效率门槛”将提升至约17%。因此,有损效率的低价硅片路线是走不通的。


  另一方面,有可能取代多晶硅片的技术必须在效率和成本两方面展现优势。现在正在使用或研发中的硅片技术中尚未发现在效率和成本方面有希望明显优于多晶硅片的技术,因此在可以预见的将来多晶硅片仍将是光伏市场中的主流技术,其市场占有率将不断提高。


  一个可能的黑马是超薄N型单晶片。如其平均转换效率超过23%,硅片成本降低一半以上,且电池制造成本相应降低,则可能在将来对多晶硅片形成有力挑战。


图1 无切缝硅片所占市场份额变化趋势


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图2 多晶硅片和单晶硅片所占相对比例变化趋势


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图3 2010年~2012年多晶硅片价格变化趋势


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图4 硅片技术市场竞争力路线图


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来源:中国电子报、电子信息产业网            责任编辑:
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