单多晶组件对比分析

李涛祥

摘 要：近年来，随着国家能源结构调整力度的不断加大，我国在光伏新能源项目建设速度加快，装机容量迅速增加。在未来五年之内，是完成中国能源转型的关键时期，光伏如何快速达到平价上网，依赖各大光伏制造企业的不断努力和国家电力体制改革的不断深化。对于光伏制造企业，将完成产品成本下降、组件功率提升、质量保障提升、系统优化等各方面进步，使光伏度电成本大幅度下降。本文通过对单晶、多晶组件的对比，分析单晶、多晶在应用中的优势。

关键词：单晶硅；多晶硅；效率

中图分类号：TM914.4 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）03-0155-02

太阳能光伏发电的最核心器件是太阳电池，商用的太阳能电池主要包括单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池、非晶硅太阳能电池、碲化镉电池、铜铟硒电池等。单晶硅、多晶硅太阳电池由于制造技术成熟、产品性能稳定、使用寿命长、光电转化效率相对较高的特点，被广泛应用于大型并网光伏电站项目。

1 单晶硅和多晶硅的区别

当熔融的单质硅凝固时，硅原子以金刚石晶格排列成许多晶核，如果这些晶核长成晶面取向相同的晶粒，则形成单晶硅。如果这些晶核长成晶面取向不同的晶粒，则形成多晶硅。多晶硅与单晶硅的差异主要表现在物理性质方面。

单晶和多晶的生产制造工艺是不一样的，成分也有所不同，但是最后做成成品（太阳能电池板）使用效果是差不多的，08年之前两者的区别在于光电转换率不同，单晶一直比多晶转换效率高，即使在实验室还是这种情况，另外单晶的材质要比多晶的好，在生产过程中不容易损坏，另外在外观上，单晶一般都是单色的（常规的是蓝色和黑色。国外基本都是蓝色多，国内的大多表面是蓝色，但在层压后颜色会变成黑色，）多晶颜色很杂，既有单色蓝色，也有彩色的。

1.1 单多晶硅片性能对比

单晶硅片与多晶硅片在晶体品质、电学性能、机械性能方面有显著差异。单晶和多晶的差别主要在于原材料的制备方面，单晶是直拉提升法，多晶是铸锭方法，后端制造工艺只有一些细微差别。

单晶和多晶硅片的差异还在于硅片性质，其差异性是决定单晶和多晶系统性能差异的关键。单晶硅片是一种完整的晶格排列；多晶硅片是多个微小的单晶的组合，中间有大量的晶界，包含了很多的缺陷，它实际上是一个少子复合中心，因此降低了多晶电池的转换效率。另一方面，单晶硅片的位错密度和金属杂质比多晶硅片小得多，各种因素综合作用使得单晶的少子寿命比多晶高出数十倍，从而表现出转换效率优势。

单晶是一种完整的晶格排列，在同样的切片工艺条件下表面缺陷少于多晶，在电池制造环节，单晶电池的碎片率也是小于1%的，通常情况下是0.8%左右。单晶硅片可以稳定应用金刚线切割工艺，显著降低切片成本，并提高电池转换效率。对多晶而言，晶体结构的缺陷导致在电池环节的碎片率一般大于2%，并且硅片切割工艺的改进难度很大，因为它没法用金刚线切割，只能用传统的砂线来切，成本上基本没有多大的下降空间。

1.2 机械性能差异

多晶硅片在电池的生产和运输过程中更容易破碎。我们今天讲电站的质量问题，很重要的一点，组件在运输安装过程中可能产生电池片破碎、隐裂等问题，相对多晶而言，单晶在运输中的抗破坏性能比较好。另外，在电站长期的高低温交替过程中，多晶组件更容易发生隐裂，这样就降低了组件的输出功率。

1.3 转换效率对比

影响转换效率的3项主要参数是：Voc（开路电压）、Isc（短路电流）、FF（填充因子），公式为：Eta=Voc×Isc×FF。

从光电转换效率参数分解来看，单晶电池的各项参数全面领先于多晶。一般来讲目前工艺下国内单晶电池量产效率是19.55%左右，做得好的话可以达到19.8%-19.9%，取决于它是三栅线还是四栅线；多晶电池量产效率一般是18.12%左右。

在实验室记录方面，单晶技术潜力的优势更加显著。多年前澳大利亚新南威尔士大学开发出的P型单晶硅电池（PERL）最高转换效率可达25%，这一纪录多年没有被打破。PERL与我们现在做的PERC差别就在于，PERL在BSF上不使用铝扩散，而是采用了硼扩散，因此转换效率比PERC更高一点。单晶硅电池在各项主要参数上均全面高于多晶硅电池，在未来高效率发展方面具有更大的潜力。

1.4 制程差异

在制程方面，单晶比多晶更环保、成本更低。电池的制程工艺包括制绒、扩散、刻蚀、镀膜、印刷、烧结等，单晶电池和多晶电池的制备工艺主要差别在制绒环节，其余环节仅仅是控制标准的差异。

单晶制绒采用碱溶液腐蚀，腐蚀过程中产生硅酸盐和氢气副产物，通过应用制绒辅助液代替或部分代替异丙醇（IPA），可实现更低的BOD、COD污水排放，且单晶制绒体系对于设备硬件的要求很低，更容易实现环保和工艺控制。

多晶采用酸溶液腐蚀，需要使用高浓度的硝酸和氢氟酸，主要副产物为氟硅酸和NOx，而Nox是一种很难彻底处理的大气污染物，考虑到这些因素，需要使用严格封闭的自动化设备。多晶制绒的设备购置和维护成本远高于单晶。

1.5 温度系数对比

单晶材料没有晶界，材料纯度高，内阻小，温度升幅较小；另一方面，多晶电池的光电转换效率较低，它将更多的光能转换为热能而非电能，也导致多晶的温度升高更明显。在最高光强下，单晶工作温度比多晶低5～6℃左右，部分地区的多晶工作温度可以比单晶高出10℃以上，因而多晶的功率损失较大，单晶的功率损失较小。

从温度系数本身来看，单晶温度系数是略低于多晶的，因此同样升高1℃的情况下单晶功率损失也少于多晶。

2 PERC电池技术简述

几年前光伏工业界把高效电池的注意力主要放在选择性发射极电池技术，现在业内不再做选择性发射极电池而更加关注PERC电池，因为选择性发射极电池主要是提高了短波段吸收能力，但是反映在组件上，由于EVA本身吸收的也是紫外光的短波段，所以它在组件方面没有体现出明显优势，选择性发射极技术就被淘汰了。而PERC电池主要是表现在近红外、红外波段的吸收，而EVA不吸收红外波段的太阳能，所以PERC技术更好的把电池效率的提升反应到到组件效率的提升。

2.1 PERC电池具有以下特点

（1）电池效率绝对值在单晶上可提高1%，在多晶上可提高0.5%，因此在单晶上采用PERC技术优势更大。（2）PERC技术具有与现有产线兼容度高，易于进行产线升级，并可降低电池片每瓦成本。（3）PERC电池已经成为行业主流技术并逐步替代常规电池。（4）通过工艺优化，在近1-2年内可逐步将量产效率提升至21%，SolarWorld公司近期在实验室的P型单晶硅PERC电池效率已经达到了21.7%。

以上所述的为P型PERC电池技术，下一代的N型PERC技术，不仅可以解决LID的问题，而且量产转换效率可以进一步提升至22%。

2.2 IBC电池技术简述

IBC电池也是采用N型单晶硅片生产，目前实验室最高效率可达到25%，量产平均效率23%。它最大的特点是制程比较复杂，目前有十六七道的制程工艺，成本比较高昂，限制了该技术的发展。目前工业界着重开发低成本IBC技术。松下将IBC和HIT技术相结合，创造了新的转换效率世界纪录，高达25.6%。它的開路电压达到740mV，Jsc是41.8mA/cm2，FF是82.7%，硅片厚度是150μm。IBC电池的应用示例：阳光动力2号采用高效N型IBC单晶电池覆盖机翼，转换效率23%，完全依靠太阳能电力完成环球飞行。

3 单多晶电站投资收益对比

目前60片封装的高功率组件，单晶量产功率为280W，多晶量产功率为275W，单晶组件价格为3.20元/W左右，多晶为2.98元/W左右。由于单晶组件在每个方阵中使用的数量较少，有效节约了支架、夹具、汇流箱、光伏电缆、基础工程、安装工程等，因此在总的投资成本上，单晶系统与多晶系统基本相同。

在电站营运层面，单晶比多晶能节约5%的土地租金和6%的运维成本，而单晶每瓦发电量至少比多晶高3%，那么在25%资本金比例、15年贷款年限的融资结构下，我国中部地区投资单晶电站的资本金内部收益率IRR会比投资多晶电站高出至少2.78%以上。

4 结语

目前为止经历过长期运行考验的电站绝大多数采用单晶组件，目前国内有大量的电站运行实例，证明在同一地区、同样的建设条件和BOS条件下，每瓦单晶发电量显著高于多晶。