光伏组件技术现状及选型分析

蔡高原

（中国大唐集团科学技术研究院有限公司中南电力试验研究院，河南 郑州 450000）

0 引言

光伏组件即太阳电池组件，是光伏电站最重要的组成部件，其成本占光伏电站建设总成本的40%以上。光伏组件选型的好坏将直接关系到整个光伏电站的质量、发电量、使用寿命和收益率等。随着光伏产业的快速发展，运用高效组件来降低度电成本已成为行业共识，新型高效光伏组件也不断涌现，不同组件的转换效率、衰减特性、温度特性等有所差异［1-3］。

本研究对不同类型的光伏组件进行特性和技术指标分析，并结合案例对不同规格的光伏组件的系统经济性进行对比评价，为光伏组件设备的选型提供技术参考［4-5］。

1 光伏组件分类

按照光伏组件制造材料的不同，可将光伏组件分为3类，如图1所示。

图1 光伏组件的分类

目前，已进行商业化应用的有单晶硅太阳电池、多晶硅太阳电池、非晶硅薄膜太阳电池、碲化镉薄膜太阳电池、铜铟镓硒薄膜太阳电池，以上光伏组件的电池片特性对比详见表1。

表1 单晶硅、多晶硅和非晶硅薄膜光伏电池片对比

由表1 可知，在晶硅类电池中，单晶硅电池的光电转换效率略高于多晶硅电池，两种电池组件的电性能、寿命等相差不大，且价格也相当，在实际工程应用过程中，建议选用单晶硅电池。非晶硅薄膜太阳能电池的光电转换效率相对较低，但由于其具有弱光效应好、温度系数低等优势，在建筑光伏一体化等场景中应用较为广泛。

1.1 晶体硅光伏电池

我国晶体硅光伏电池的转换效率逐年提升。目前，我国单晶硅光伏电池的转换效率为16%～24.4%，多晶硅光伏电池转换效率为15%～21%。主流的晶体硅光伏电池分为P 型-PERC、N 型-TOPCon、N 型-HJT（异质结），这些晶体硅光伏电池的主要特点对比详见表2。

表2 单晶硅、多晶硅和非晶硅薄膜太阳电池对比

2021 年，规模化生产的P 型单晶电池均采用PERC 技术，平均转换效率达到23.1%，较2020年提高0.3 个百分点。2021 年采用PERC 技术的多晶黑硅电池片转换效率达到21.0%，较2020 年提高0.2个百分点。常规多晶黑硅电池效率的提升动力不强，2021 年转换效率约19.5%，仅提高0.1 个百分点，未来提升空间有限。铸锭单晶PERC 电池的平均转换效率为22.4%，较单晶PERC电池低0.7 个百分点。

N 型TOPCon 电池的平均转换效率达到24%，异质结电池的平均转换效率达到24.2%，两者较2020 年均有较大提升，IBC 电池的平均转换效率达到24.1%。

尽管目前P 型电池仍占据光伏电池产业的主导地位，2021年P型电池的市场占有率达91.2%，但因P 型单晶硅PERC 电池的理论转换效率极限为24.5%，导致P型PERC单晶电池的效率很难再有大幅度的提升，而N 型电池具有转化效率高、光致衰减低、温度系数低等优势，有望成为下一代电池技术的主流。

1.2 非晶硅薄膜光伏电池

薄膜类太阳电池由沉积在玻璃、不锈钢、塑料、陶瓷衬底或薄膜上的几微米或几十微米厚的半导体膜构成，转换效率为15%～19.64%。薄膜电池存在效率相对较低、占地面积较大、部分生产原料对环境有一定影响、稳定性不佳等缺点。随着技术的发展和市场的扩大，因其具有制造工艺相对简单、成本低、不用高温过程、在弱光条件下的性能好于晶硅类太阳电池、适用于建筑光伏一体化（BIPV）等突出优点，非晶硅薄膜电池也占据了一定的市场份额，其主要优点如下。①薄膜电池属于直接间隙材料，对全光谱的吸收都比较好，在清晨、傍晚等弱光条件下的发光效率要明显高于间接带隙材料的晶硅电池，即薄膜电池的弱光效应好。②子电池单元间采用并联的方式，即使其中一个子电池单元因受损而产生热斑，也不影响其他子单元，有利于减少热斑效应，在提高发电能力、保证产品使用寿命和使用安全方面有很大优势。③薄膜电池适合高温环境，其温度系数在-0.21%/℃左右，而晶硅电池的温度系数在-0.45%/℃左右。

薄膜类太阳电池中的碲化镉、铜铟镓硒电池因原材料含有剧毒或原材料的稀缺性，导致其对环境产生一定影响，其规模化生产受到限制，目前仍在进一步研究中。

1.3 组件技术规格

随着光伏平价时代的到来，市场对光伏组件降本增效的需求也在不断增加。其中，硅片尺寸增大作为提升组件功率的有效途径，是近年来光伏行业较为关注的技术路线。

继 2020 年的 166 mm × 166 mm 规格硅片后，2021 年又推出了基于更大尺寸硅片的组件产品。其中的182 组件结合系统端的实际情况上限，是综合考虑组件的生产、安装、运输、系统配套各环节的实际情况确定的最佳尺寸。

根据目前市场供需情况，当前用于大型光伏电站的主流单晶硅光伏组件主要由166 mm、182 mm、210 mm 三种电池片型号进行组装，主流光伏组件规格的分类详见表3。

表3 光伏组件规格分类表

自2020 年下半年以来，便有大型央企、国企在组件集采中设置182 及以上采购标段。据不完全统计，2021年第一季度，中国电建、华电、大唐、中核等11家央企、国企启动了超过20 GW的光伏组件招标，其中530 W 及以上高效组件占比高达76.01%。2021 年1—6 月，国内合计招标量为24 GW，在国内大中型企业定标项目中，高功率组件（182/210 mm电池片）的占比达83%。

2 光伏组件选型原则

光伏组件对不同区域的适用性与当地辐照资源的关系不大，而与当地的建设条件、气候条件有一定关系。因此，要因地制宜进行光伏组件的选型。

2.1 大型光伏电站光伏组件选型

在大型光伏电站设计中，度电成本LCOE 是衡量项目的核心指标，光伏组件选型的核心逻辑必须围绕LCOE，从而确保光伏电站在整个生命周期内提供成本最低的电力［6］，LCOE的计算公式见式（1）。

式中：I0为项目初始投资；VR为固定资产残值；i为折现率；Yn为第n年的发电量；An为第n年的运营成本；Dn为第n年的折旧；Pn为第n年的利息。

以主流的210 mm 规格660 Wp（方案一）组件和182 mm 规格540 Wp（方案二）组件为例，进行系统配置，并对比分析其度电成本。

以内蒙古地区某项目为例，项目所在地的纬度为北纬39.270 6°，最高气温为40.2 ℃、最低气温为 -36.6 ℃、平均气温为9.6 ℃。组件搭配196 kW组串式逆变器，其度电成本对比详见表4。

由表 4 可知，210 mm 规格 660 Wp 组件在支架、基础、电缆等方面均比182 mm 规格540 Wp 组件有所节省，折算到20 a 的度电投资中，210 mm 规格660 Wp 组件比 182 mm 规格 540 Wp 组件具有更优的度电成本。

表4 项目经济性对比

2.2 分布式光伏项目光伏组件选型

分布式光伏项目根据屋顶装机规模可分为三类，即小型户用、大型户用及中小型工商业、大型工商业［7-8］。三种分布式光伏项目经济性对比详见表5。

由表5 可知，小型户用分布式项目设计的核心理念是装机容量越高，收益越大。大型户用及中小型工商业项目介于小型户用和大型工商业之间，可利用的面积适中、安装条件略微宽松，高功率组件带来的低成本开始逐渐体现，但其核心逻辑依然是利用有限的面积来提升装机容量。大型工商业屋顶系统重点考虑高功率高效率组件带来了成本的降低。

表5 分布式光伏项目经济性对比

从表5 中的三类分布式光伏项目经济性测算可以看出，因屋顶形式多样，不同应用形式对应的组件选型逻辑也不尽相同，并无一款产品能够同时在三类项目中达到最优，而相应的组件也并非尺寸越大就越好，要根据实际的屋顶情形因地制宜进行组件选型。

3 结论

①根据目前市场供需情况来看，当前用于大型光伏电站的主流单晶硅光伏组件由166 mm、182 mm、210 mm 三种电池片型号进行组装，其产品规格为350～670 Wp。从区域特性来看，三类主流电池片型号均可适用于全国各个区域，不存在较大差异。但结合工程项目特性，在可靠性、适用场景和经济性方面存在着细微差别。

②大型光伏电站光伏组件选型以度电成本最优为原则，而目前主流的210 mm 规格660 Wp 组件在支架、基础、电缆等方面均比182 mm规格540 Wp组件有所节省。因此，大型光伏电站光伏组件应首选主流组件厂家的大尺寸大功率组件。

③在对分布式光伏项目光伏组件进行选型时，因屋顶形式、形状多样，不同的应用形式对组件选型的逻辑不尽相同，并无一款产品能同时在三类项目中达到最优，而相应的组件也并非尺寸越大越好，要根据实际屋顶情形因地制宜进行组件选型。