光伏硅片尺寸大型化是一大重要發(fā)展趨勢。市場上硅片按照尺寸大小，直徑從短到長，一共包括八種型號，分別是：M0、M1、M2、M4、G1、M6、M10、G12，其邊距依次為156mm、156.75mm、156.75mm、161.7mm、158.75mm、166mm、182mm、210mm。
從歷史發(fā)展階段看，2012年前，中國硅片產(chǎn)業(yè)處在為外國代工階段，使用的硅片主要為M0級；
2012年-2018年間，中國光伏產(chǎn)業(yè)遭歐美“雙反”，但國內(nèi)光伏發(fā)電需求的上升支撐了光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，這一階段的各大廠商開始轉(zhuǎn)向156.75mm的M1、M2級硅片；
2018年后，國內(nèi)光伏產(chǎn)業(yè)逐漸成熟，上游的硅片制造業(yè)迅猛發(fā)展，G1、M6、M10、G12等硅片型號開始大規(guī)模使用。
從技術(shù)和成本控制看，硅片尺寸增大，能降低度電成本與切片次數(shù)，稀釋電池中的非硅成本，進而減少硅片的制造費用，符合光伏行業(yè)降費提效的發(fā)展趨勢。
根據(jù)預(yù)測，160-166mm硅片的市場份額在近兩年內(nèi)逐漸下降，182mm與210mm硅片逐步成為市場主流。
單晶硅片成為市場主流。2021年單晶硅片市場占比達到了94.5%，在市場中處于絕對領(lǐng)先地位。隨著硅片制造產(chǎn)業(yè)的成熟，硅片造價不斷下降，行業(yè)的焦點轉(zhuǎn)向效率。就效率而言，單晶多層片的能量轉(zhuǎn)換效率一直高于多晶電池片，未來單晶硅片市場份額、尤其是具備更高轉(zhuǎn)換效率極限值的N型單晶類市場份額將會占據(jù)主導(dǎo)地位。
同時，硅片薄化趨勢也在加速。薄硅片有利于降低硅材損耗，降低單硅片耗硅量?，F(xiàn)在市場上的硅片主要包括多晶硅片和單晶硅片，其中單晶硅片分為P型、N型路線。
2021年，多晶硅片平均厚度為178um，因其需求的逐漸減弱，厚度改進動力較弱，預(yù)計其厚度在2030年將保持在170um以上。
2021年P(guān)型單晶硅片平均厚度為170um，同時150um-160um的薄片技術(shù)已經(jīng)趨于成熟，預(yù)計2030年P(guān)型單晶硅片厚度將下降至140um。
N型TOPCon-N型單晶硅片平均厚度為165um，預(yù)計2030年將下降至135um；HJT-N型硅片平均厚度為150um，預(yù)計2030年將下降至110um。
當然，硅片在不斷薄化的同時可能會影響切片良率，相關(guān)的加工技術(shù)能否突破也是決定硅片薄化速度的重要因素。
光伏電池技術(shù)原理，即光生伏特效應(yīng)，即由于光照，使得半導(dǎo)體材料的不同部位之間產(chǎn)生電位差，形成電壓，進而形成電流的回路。是太陽光能轉(zhuǎn)換為電能的光伏發(fā)電技術(shù)基礎(chǔ)，將光子轉(zhuǎn)化為電子，將光能量轉(zhuǎn)化為電能量。
其具體工作過程分為四部分，一是光子照射到電池表面后被吸收，產(chǎn)生電子空穴對；二是內(nèi)建電場分離電子空穴對，在PN結(jié)兩端產(chǎn)生電勢；三是導(dǎo)線連接PN結(jié)，形成電流；四是在太陽電池兩端連接負載，將光能轉(zhuǎn)換成電能。
在此過程中，考察光伏系統(tǒng)的核心指標是“光電轉(zhuǎn)換效率”：在工作溫度25±2℃，光照強度為1000W/㎡的標準條件下，光伏系統(tǒng)“輸出電功率”與“入射光功率”之比，即太陽光入射功率轉(zhuǎn)換為光伏電池最大峰值功率的比例。而光伏發(fā)電的“光電轉(zhuǎn)換效率”主要由兩大因素所影響：一是光學損失率，二是電學損失率。
其中，光學損失主要是由“光浪費”造成，解決光學損失要從以下方面入手，主要包括：
1）減少光譜損失，如因為能量小于或大于半導(dǎo)體的禁帶寬度而導(dǎo)致的光子未被吸收；
2）減少玻璃組件或電池板的正反兩面發(fā)生反射折射；
電學損失主要是由復(fù)合損失造成，而解決復(fù)合主要要解決材料本身的內(nèi)部缺陷以及雜質(zhì)等相關(guān)問題。主要可以通過改變光伏電池的結(jié)構(gòu)，減少復(fù)合，從而提高光電轉(zhuǎn)化效率實現(xiàn)。
光伏產(chǎn)業(yè)電池技術(shù)的發(fā)展歷經(jīng)多個階段。而未來電池技術(shù)迭代發(fā)展的關(guān)鍵，也是從提高光電轉(zhuǎn)換效率、降低光學和電學損失率入手。
2005-2018年，BSF電池，即鋁背場電池，是較為主流的第一代光伏電池技術(shù)。鋁背場電池的制造是在晶硅光伏電池P-N結(jié)制備完成后，通過摻硼或淀積鋁層燒結(jié)的方法，在硅片的背光面沉積一層鋁膜，制備形成高摻雜濃度的P+層，從而形成鋁背場。
但是，由于其背表面的全金屬復(fù)合較高，導(dǎo)致光電損失較多，在光電轉(zhuǎn)換效率方面具有先天的局限性，2017至2018年開始，鋁背場電池技術(shù)市占率逐漸走低，現(xiàn)階段已經(jīng)面臨淘汰。
2016年至今，第二代的單晶P型PERC、PERC+電池市占率逐步走高，成為市場具備經(jīng)濟性的主流產(chǎn)品。PERC即鈍化發(fā)射極和背面電池，PERC背面有一個額外的層，其主要作用有兩點，一是可以捕獲更多的陽光并將其轉(zhuǎn)化為電能，因此更高效；二是能夠減輕背面復(fù)合，并防止較長波長的熱量變成會損害電池性能的熱量。
2019年，PERC首次超越BSF技術(shù)成為最主流的光伏電池技術(shù)，2016年至2021年，PERC電池滲透率從10%提升至90%左右。
從理論和實踐發(fā)展看，目前PERC電池的光電轉(zhuǎn)換效率已達23%~23.2%區(qū)間，逐步逼近理論轉(zhuǎn)換效率24.5%極限，開發(fā)下一代具備更高轉(zhuǎn)換效率極限的電池技術(shù)是大勢所趨。
未來，目光逐漸轉(zhuǎn)向以TOPCon、HJT、IBC為代表的N型電池技術(shù)，逐漸成為行業(yè)下一代高效晶硅電池主流發(fā)展方向。
相比傳統(tǒng)的 P 型電池相比較，N型電池具有轉(zhuǎn)換效率高、雙面率高、溫度系數(shù)低、無光衰、弱光效應(yīng)好等優(yōu)點，是未來的主流電池技術(shù)路線之一。
一是轉(zhuǎn)換效率更高。目前P型電池的理論轉(zhuǎn)化效率極限為24.5%，而N型電池技術(shù)的光電轉(zhuǎn)換效率理論極限28.7%。
二是雙面率高，即光伏背面效率與正面效率的百分比更優(yōu)。雙面發(fā)電是光伏電池發(fā)展的方向，P型PERC電池雙面率75%-85%左右，而N型TOPCon、HJT電池的雙面率分別可以達到85%-95%以上。
三是溫度系數(shù)低。N型電池溫度系數(shù)低于P型，當光伏系統(tǒng)的實際工作溫度與標準溫度差值較大，如17度時，N型組件可比P型組件發(fā)電量增益0.85%。因此N型電池更適合溫度較高的應(yīng)用場景，更好的溫度系數(shù)使其發(fā)電增益，減少損失。
四是光衰現(xiàn)象弱，即光伏組件的輸出功率在剛開始使用的最初和后續(xù)全生命流程的使用過程中，相對保持穩(wěn)定。P型硅片摻雜的硼元素在光照或電流注入下，會與氧形成沒有飽和化學鍵的硼氧復(fù)合體，其會捕捉光照產(chǎn)生的載流子，從而降低載流子的壽命。而N型硅中硼含量極低，幾乎沒有光衰現(xiàn)象。
N型電池中有多種技術(shù)路線，其中，TOPCon是一種使用超薄隧穿氧化層以及摻雜多晶硅層，作為鈍化層結(jié)構(gòu)的太陽電池，具備良好的接觸性能，可極大提升太陽能電池的效率。
HJT是由兩種不同的半導(dǎo)體材料組成的結(jié)，也稱異質(zhì)結(jié)，主要通過利用PN結(jié)的原理產(chǎn)生光生電流。HJT電池的發(fā)射極是一層很薄的非晶硅層，能減少載流子的復(fù)合，降低電損失。
IBC是一種將電池發(fā)射區(qū)電極和基區(qū)電極均設(shè)計于電池背面，且以交叉形式排布的太陽能電池，也稱交叉背接觸電池。其前表面可徹底避免金屬柵線電極的遮擋，減小光損失；同時背部采用優(yōu)化的金屬柵線電極，以降低串聯(lián)電阻，減少電損失。
除此之外，IBC也可疊加其他電池新技術(shù)，與TOPCon電池疊加為TBC電池，與HJT電池疊加為HBC電池，與P型PERC電池疊加為PBC電池，均有顯著的提效效果。
由于硅的半導(dǎo)體特性與太陽光譜吻合，一直是光伏使用的主要半導(dǎo)體材料，但是，光伏滲透率的快速攀升也激化了上游硅料漲價的行業(yè)矛盾。未來，多元化光伏電池材料是大勢所趨，類似鈣鈦礦等與硅具有相似特性的技術(shù)路線將逐漸成熟發(fā)展。
鈣鈦礦電池，是利用鈣鈦礦型有機金屬鹵化物半導(dǎo)體作為吸光材料為太陽能電池，屬于第三代太陽能電池，是一種全新的技術(shù)路線。鈣鈦礦較晶硅電池成本與效率優(yōu)勢明顯。
從理論效率極值看，鈣鈦電池單層電池可達31%，超晶體硅太陽能電池的理論極限。
從制造效率看，鈣鈦礦對雜質(zhì)的敏感度較晶硅低，通常純度為90%左右的鈣鈦礦便可投入制造效率超20%的電池，而晶硅純度必須達到99.9999%以上才能用于制造；鈣鈦礦組件生產(chǎn)流程只需45分鐘，較晶硅的三天用時明顯縮短。
從投資成本看，1GW鈣鈦礦電池投資強度僅為晶硅的一半，產(chǎn)業(yè)鏈明顯短于晶硅電池，可大幅降低物流等成本。
從使用場景看，鈣鈦礦作為一種高柔性的薄膜電池，結(jié)構(gòu)輕便，易于安裝，可被使用在晶硅電池無法觸達的場景，更適合大規(guī)模推廣。未來再通過鈣鈦礦電池結(jié)合疊層技術(shù)，可制成鈣鈦礦、鈣鈦礦疊層太陽能電池。雙層理論極限光電轉(zhuǎn)換效率可達到45%，三層可達到49%。
從2009年第一塊鈣鈦礦電池轉(zhuǎn)化率僅達3.8%，到現(xiàn)在技術(shù)逐步成熟，最新轉(zhuǎn)化率已經(jīng)達到25%，鈣鈦礦電池正在全面追趕晶硅電池。預(yù)估實現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化還需3-5年時間。從應(yīng)用來看，鈣鈦礦電池與BIPV光伏建筑一體化市場有天然適配優(yōu)勢，有望在此領(lǐng)域率先開啟市場應(yīng)用。
來源：光伏技術(shù)的沿革、發(fā)展和未來，澤平宏觀，光伏行業(yè)協(xié)會
原文始發(fā)于微信公眾號（光伏產(chǎn)業(yè)通）：光伏技術(shù)的沿革、發(fā)展和未來
