科技爆炸为人类能源革命创造了无限可能。从理论到现实,往往需要很长时间,就像在爱因斯坦在提出一百多年后,人类才捕获引力波。
电池技术的进步仿佛一直都很缓慢。能量密度提升所遭遇的难题,体现在太阳能电池的转化效率上仿佛也类似。在这个科技大爆炸的时代,光伏电池和组件的转化效率,就像被三体人的“质子”锁死了一样,落入一种“范式牢笼”——在同一范式内,事物很难获得有效突破,任何“量”的积累几乎都不可能引发质变。
范式理论,由美国著名科学与哲学家托马斯·库恩在《科学革命的结构》一书中提出,从1962年至今,已经过去整整60年。范式牢笼的例子有很多,比如最早的电子管计算机,不论你如何增加设备、改进技术,都难以改变体积大、耗电多、价格昂贵、运算速度慢和可靠性低这些特点——一切,就好像被关进了一间不能突破的牢笼一样。
如果说从PERC到TOPCon,还是在一种范式内实现“量”的变化,那异质结电池技术,包括未来和钙钛矿的进一步结合,则正在打破现有的光电转化范式牢笼,开创出一个全新的“异质结时代”。东方日升,正努力成为太阳能电池转化效率“范式牢笼”的破局者与颠覆者。
就像永祥法成就了通威的全球多晶硅与电池片双龙头、金刚线技术成就了隆基在全球的硅片与组件双龙头一样,即使传统制造业如光伏行业者,亦有后发者通过技术,实现颠覆性创新的可能。
当下,众多主力光伏组件企业屈从于财务成本压力,纷纷通过改造传统产能扩建TOPcon项目。东方日升早在2019年12月,就实现了异质结电池和组件的量产,并在2020年和2021年蝉联异质结出货量冠军。在即将到来的这个异质结时代,这种超前布局,正转化为企业的差异化竞争力。01异质结的前世今生电池技术迭代本质是降本提效,效率高、成本低是唯一的发展方向。
最近两年,太阳能电池技术进入剧烈迭代时期,P型(PERC)电池转化率接近理论极限,其产品生命周期已经接近完全期,新技术的N型电池的技术路线有TOPCon、异质结、IBC等。根据中国光伏行业协会相关数据,从2014年至2021年,我国相关机构或企业的晶硅电池实验室效率破纪录42次,仅在2021年破纪录就有11次。从技术上看,PERC、TOPCon、异质结、IBC等高效晶硅电池生产技术上先后取得突破,半片、双面、叠瓦、多主栅、大尺寸等相关技术也相继成熟并逐渐被应用。异质结电池,是由两种不同的半导体材料构成。
异质结电池,即非晶硅薄膜异质结电池,是在晶体硅上沉积非晶硅薄膜。它综合了晶体硅电池与薄膜电池的优势,集合了效率高、低光衰、温度系数低、弱光响应高等诸多优势,技术具有颠覆性。
异质结电池结构与TOPCon电池结构
异质结虽然代表着光伏产业最新的技术发展趋势,但异质结电池技术诞生至今已有30余年。
资料显示,异质结电池最早由日本三洋公司于1990年成功开发,并且将HIT申请为注册商标。而后,异质结电池便出现了HJT、HDT、SHJ等诸多名称。2015年,对于异质结的发展而言,是真正开始起步的一年。这一年,三洋公司的HIT专利保护期结束,技术壁垒彻底消除。异质结在专利解禁之后,在光伏行业迅速掀起一轮“异质结热”,从头部企业到中小企业,从民企到国企:东方日升、通威股份、保利协鑫、钧石能源、阿特斯、爱康科技等纷纷入场。这样看来,一些企业的专利技术壁垒有时真是一把双刃剑,至少对于三洋公司而言,这样的专利封锁不但没有捞到什么好处,同时阻碍了行业的发展。浙商证券:经历芽期、实验室、初步商业化和产业化阶段,2022年异质结正迎来爆发根据集邦咨询数据,截至2021年末,全球异质结在建及待建产能约142GW,近期异质结电池项目密集落地,异质结年底产能预计将突破10GW。东方日升在异质结领域深耕多年,是最早布局异质结产线的公司之一。今年3月,东方日升将210技术与异质结技术融合,推出新产品伏曦700Wp+组件,在行业内掀起6.0向7.0时代迈进的新话题。02转化率之辩每年在德国慕尼黑举行的国际太阳能光伏展,是全球最具影响力的三大光伏展之一,被称为“光伏技术和市场的风向标“。在今年展会上,东方日升的RSM132-8-710BHDG异质结组件,成为所有参展的N型新品中功率最高的一款。资料来自TCL中环这一两年来,TOPCon与HJT的争论从来没有停止过。
TOPCon的拥趸们先是说TOPCon在实验室的转换效率比异质结的天花板更高;后又指责异质结的成本不可能降下来。当然,事实胜于雄辩,在科学面前,真相只有一个,与声量无关。此前,HJT的电池转化效率世界纪录一直由一家叫作Kaneka的日本企业保持,26.63%。在整整一个月前的今天、11月19日,隆基绿能成为转化效率争论的实证者与终结者:隆基硅异质结(HJT)电池转换效率达到26.81%,这也是人类掌握的硅基太阳能电池转化效率的最高纪录——不分技术路线。就在上周,隆基的量产P型HJT电池又创新的世界纪录:26.58%。
毫无疑问,始终认为“TOPCon是一个过渡性的技术路线”的隆基已全面拥抱HJT。
也正因为越来越多企业的加入,东方日升在HJT上的坚守“吾道不孤”。在未来,异质结电池作为平台型技术,将通过与IBC、钙钛矿等技术叠加组,转换效率极限值将进一步打开。
东方日升异质结光伏组件,在2021不到一年时间中,连续三次刷新世界纪录,最高功率可达721.016W。
03HJT到底贵不贵?除转化率以外,异质结的投资与生产成本,曾经是摆在新入局者们面前的一道难题。即便在两年前的2020年,异质结的投资与生产成本,也曾经一度高不可攀。
在当时,1GW的单晶PERC电池投资在3亿元左右;而1GW的异质结电池产能投资要10亿元。这些历史,往往也成为众多选择了TOPCon技术路线的企业们在营销推广、融资路演时的噱头——虽然异质结投资成本的直线下降,已经人尽皆知。目前,PERC的投资成本已经降到了每GW1.2亿,TOPCon的投资成本少于2亿,HJT最新的投资成本也已经降到3个亿。
技术性原理可能过于专业,看图则更容易理解PERC、TOPCon、异质结之间的区别。异质结为低温工艺,在硅片成本(利于薄片化和减少热损伤)和非硅成本(燃料能源节约)上均更优。同时,异质结只需要4道工艺,相比PERC(8 道工艺)和 TOPCon(9-12道工艺),未来生产成本将会更低。
更重要的是,异质结电池的光致衰减更低。光伏产业真正大提速就是最近一两年的事,光伏组件的使用寿命是25-30年,未来衰减情况如何有待验证。研究表明,HJT电池10年的衰减率小于3%,25 年发电量下降仅为8%,衰减速度远低于PERC及TOPCon电池。关于HJT的发电增益能力,后面专门介绍。
东方日升研发人员认为,TOPCon只是一个延伸性的产品,它和单晶PERC系列是一脉相承的。异质结则是一种完全不同的技术路线。目前来看,异质结在成本以及低碳方面具备一定的优势,而薄片化程度则可更进一步提升。研究机构测算,与PERC相比,HJT潜力巨大,在25年的全生命周期中,综合发电量要比PERC至少要高出5%-10%左右。
然而,HJT的发展并非一帆风顺,就类似于新能源车的发展路径一样,伴随着质疑一起成长,这些质疑中既有针对技术、成本、安全、性价比方面的,有的质疑也掺杂商业利益。
在当下,电池和组件企业选择TOPCon的远比选择异质结技术路线的要多,并不是TOPCon有多先进,而是一种不得已的现实选择:
就像投资芯片或显示面板,投资大、高折旧率是光伏电池和组件行业的重要特征。TOPCon 电池和PERC电池的技术和产线设备兼容性极高。从设备角度来看,大部分的TOPCon 产线可以从 PERC 产线升级得来:TOPCon和PERC产线均为高温工艺,且TOPCon技术最大程度保留和利用了现有传统P型电池设备制程,主要新增的设备包括:多晶硅/非多晶硅沉积的LPCVD/PECVD/PVD 设备、硼扩散设备等,每GW的改造成本约为5000万。以PERC每GW产能的建设成本1.2亿来计算,每GW的TOPCon的投资及改造成本约在1.7亿,新建成本则在2亿左右。根据工信部统计,今年1-8月,我国太阳能电池产量为183GW。目前已建成的电池片产能中,PERC占比超过80%。如果让电池企业把这些刚建成没有一两年的设备全部淘汰掉,显然并不现实。
在笔者看来,正如李振国所说TOPCon只是过渡性技术路线,PERC、TOPCon、HJT,三者之间的发展规律,就像是从传统的燃油车到油电混合,再到纯电车,是一个事物的发展过程。
风物长宜放眼量,市场本身就是优胜劣汰,只有效率更高、成本更低、工艺更简单者得天下。你总不能说,有一款产品,它的生产流程更简单(只需四步)、生产成本更低(硅片和非硅成本)、性价比更高(全生命周期发电增益),它却没有未来。04发电量才是唯一的金标准HJT/PERC/TOPCon25年生命周期全球发电量增益比较研究机构针对全球典型的21个国家和地区,在不同气候环境下,测算了在25年电站生命周期内三种不同技术产品的发电量,并对比生成上述全球发电量增益地图。
如图所示,从全球整体来看,HJT技术产品表现出更高的发电量增益,比PERC高4.37%-6.54%,比TOPCon高1.25%-3.33%。特别是在高温地区(如中东、澳洲和美国南部等),其发电量表现更为突出,和PERC相比有6%+的增益,和TOPCon相比有3%+的增益。这些差异主要是因为,相较于PERC和TOPCon来说,HJT组件在温度系数方面更稳定、双面率更高以及功率保持率更高。相比于PERC电池的-0.34%以及TOPCon电池的-0.30%的功率温度系数,HJT组件具有更稳定的功率温度系数-0.24%/℃。这意味着在组件工作时,随着工作温度的升高,相对PERC电池组件和TOPCon电池组件,异质结电池组件的功率衰减量更小,在热带这种效应更为明显:在60℃工作温度下,HJT组件相对功率比TOPCon电池组件高出2.8%, 比PERC电池产品高出3.5%;在65℃工作温度下,HJT组件相对功率比TOPCon电池组件高出3.2%,比PERC电池产品高出4%。
另外,HJT电池是天然的对称结构,天生就是一款双面电池,是目前双面率最高的电池技术。在同类应用场景下,双面率越高,背面发电增益越大。HJT组件的双面率在85%左右,比PERC电池组件高出15%左右,比TOPCon电池组件也要高5%。
PERC/TOPCon/HJT电池组件双面率此外,三种组件的功率保持率也有较大差异。
根据目前行业通用的三种不同电池技术的组件功率衰减曲线,可以很清晰的看到,到第25年年底,在产品功率保持率方面,HJT组件为92%,PERC组件为87.2%,TOPCon组件为89.4%。这就意味着在电站的整个生命周期里,异质结产品的功率保持率是目前最理想的。
三种技术路线光伏组件25年质保期内的功率保持率东方日升在其半年报中披露,公司目前已构建起具备全球竞争力的研发体系,全面掌握转换效率高达25.5%的高效异质结电池量产技术,包括:
通过开发异质结电池制造的等离子预清洗技术,降低硅片清洗等待时间的限制;在中试线验证兼容超大和超薄的异质结电池“前切半”技术;新型智能导线技术以及胶膜封装工艺,将银浆耗量到100mg以下等等。作为全球首家量产和出货量最大的异质结企业,东方日升正在迎来属于自己的异质结时代。相关机构报告(2021年7月)后记一花独放不是春,百花齐放春满园。和其它行业存在的恶性竞争不同,赶碳号看到,光伏企业间的技术竞争始终在推动行业发展与进步。其结果往往是,更高的转化效率,更低的资源消耗,以及中国光伏企业更强的全球竞争力。这种竞争,深刻体现了高质量发展的应有之义,多多益善。
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