新型高效光伏组件技术对比及经济性分析

王大才,曾 杰,陈卫鹏

(1.大唐海南能源开发有限公司,海南 海口 570100; 2.长江勘测规划设计研究有限责任公司,湖北 武汉 430010)

0 引 言

光伏电池技术的发展历程最早可追溯到19世纪末,第四代光伏电池于2000年后开始使用,且种类多样,包括有机材料、无机材料和混合材料,可以实现高效率和长寿命的结合,效率已经超过26%[1]。

随着中国“四个革命、一个合作”的能源安全战略重要论述的提出,以及中国2030年实现碳达峰规划的目标,中国光伏行业协会预测,“十四五”期间,中国年均光伏新增装机规模预计达到70～90 GW。碳中和目标下,在市场需求以及政策鼓励的双重推动下,光伏发电呈现爆发性增长[2]。

本文结合中国能源结构转型和构建清洁低碳、安全高效的现代能源体系目标,总结了新型高效光伏组件的发展,以光伏组件转换效率提升为主线,从单晶替代多晶、N型替代P型的行业发展实际,引入新型高效N型光伏电池技术介绍,重点分析了新型高效N型TOPCon组件的特点与主要优势,并以海南100 MW光伏项目工程为例,分析N型组件设计方案经济性。

1 新型高效光伏组件市场趋势

光伏组件技术发展迅猛,主要包括单晶硅组件、多晶硅组件、薄膜组件。由于单晶硅光伏组件光电转换率较高,其量产PERC组件转换效率已超过21%,在弱光条件下表现比同类产品更好,占据绝大多数市场份额。从技术原理上讲,单晶硅组件分为P型组件和N型组件,硅片掺杂磷元素的是N型,掺杂硼元素的是P型。从技术路线上讲,N型组件具有转换效率更高、衰减率更低等优势,是新型高效组件技术未来的发展方向。当前领先的组件厂商已开启N型组件大规模商业应用和推广,其量产N型组件转换效率已超过22%。未来随着生产成本的降低及良率的提升,市场需求开始偏向高效产品,新型高效光伏组件将加快创新和突破[2]。随着太阳能电池技术的不断发展和优化,太阳能电力的成本将继续降低,其在能源行业的地位日益重要。

2 新型高效光伏组件发展

2.1 技术发展

单晶硅电池逐渐代替多晶硅电池,当前P型PERC电池为市场主流产品,并趋近理论转换效率极限(24.5%),很难再有大幅提升,面临技术替换升级。随着光伏技术的持续突破,高效率、低衰性、耐高温、收益率更高的N型电池应运而生。从光伏电池技术发展路线看,由P型单晶电池转换效率17.5%～18.7%,发展到P型单晶PERC电池转换效率21.2%～23%,最后发展到单晶N型电池24.5%～26%,光伏电池技术路线见图1。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23.1%,N型TOPCon电池平均转换效率达24%,HIT电池平均转换效率达24.2%,IBC电池平均转换效率达24.1%[2-3]。

图1 光伏电池技术路线Fig.1 PV cell technology roadmap

2.2 N型光伏电池

光伏组件发展正处于技术加速迭代期,发展趋势是由P型PERC向转换效率更高、发电量更高的N型组件转变。N型双面电池是以磷掺杂的硅片为基底,在硅片的正反面均进行发射极、减反射膜以及金属电极制备的太阳能电池。目前N型电池主要有TOPCon、HIT、IBC[4]。

(1) TOPCon电池(隧穿氧化层发射极钝化电池)。基于选择性载流子原理的隧穿氧化层钝化接触技术,其电池采用N型硅衬底,背面为超薄氧化层+掺杂硅薄层的复合结构,形成良好的钝化接触结构,能有效降低表面复合和金属接触复合;电池背表面为H型栅线电极,可双面发电,全面提升电池的性能。TOPCON技术理论转化效率上限接近晶硅极限的28.7%,并且可基于现有PERC产线升级改造,因此成为目前各厂家主力开发的N型技术,电池基本结构见图2。

图2 TOPCon电池基本结构Fig.2 Basic structure of TOPCon battery

(2) HIT电池(异质结电池)。基于N型单晶硅和非晶硅两种材料构成,同时借助非晶硅材料的高带隙性,与单晶硅接触存在导带差和价带差,可以更有效分离载流子,提高载流子的收集效率;在电池结构和工艺方面优于其他电池技术,无需高温炉管制备,可降低生产能耗并缩短制备时间。这类电池优势在于超高的电池转换效率、低制程温度以及可向薄片化发展,有较大概率成为下一代电池主流技术,其基本结构见图3。

图3 HIT电池基本结构Fig.3 Basic structure of HIT battery

(3) IBC电池(背接触电池)。电极印刷在电池背面,载流子收集于电池背面,完全消除正面栅线的遮挡损失,有效增加正面发电面积,同时背面用较宽的栅线来降低串联电阻,提高填充因子,达到提升效率的目的,其早期光电转换效率就超过了25%;其核心工艺是在电池背表面构成交织排布的p+区和n+区,并在背表面完成金属化工艺,流程工序多、技术难。这类电池虽然效率高,但成本是普通电池成本的2倍,短期内成本下降无望,只能在特定应用场景具备优势,短期量产有一定难度。IBC电池基本结构见图4。

图4 IBC电池基本结构Fig.4 Basic structure of IBC battery

2.3 N型TOPCon与P型PREC组件特点对比

(1) 硅片少子寿命。硅片掺磷,为N型衬底;硅片掺硼,为P型衬底。N型硅片少子寿命800 μs以上、P型则为70 μs以上,N型高一个数量级,硅片质量更好。

(2) 电池钝化工艺。N型TOPCon技术背面采用单晶硅钝化,正面采用氧化铝钝化;P型PREC技术背面采用氧化铝钝化,正面采用氮化硅钝化;N型电池因为硅片质量高、界面钝化工艺更优,电池转换效率高出1%(绝对值)。

(3) 组件功率。以72半片双面双玻组件为例,标准尺寸1 134 mm×2 278 mm下,N型TOPCon组件功率为555～560 W,P型PERC组件功率为535～540 W,N型高出15～20 W。

(4) 单瓦发电量。海南文昌光伏项目纬度19.871 9 °N,地形平坦,年总辐射量5 482.4 MJ/m2,多年温度23 ℃～29 ℃,反射率25%～45%,采用N型TOPCon组件比P型PERC组件的发电量高3%以上,其中光致衰减LID贡献约1%、温度系数贡献约1%、双面率贡献约1%、弱光效应贡献约0.5%。

2.4 N型TOPCon与P型PREC组件优势对比

(1) 低衰减率。N型组件与P型组件相比,首年衰减由2%降至1%,线性衰减率由0.45%降至0.40%,30 a后输出功率不低于原始输出功率的87.40%,质保期长。

(2) 高转换效率。TOPCon电池具有更高的效率极限,为28.2%～28.7%,远高于PERC电池的24.5%。目前N型量产电池效率超25%,组件效率超22%,均高于P型。

(3) 高双面率。P型组件双面率最高70%,N型组件双面率最高85%,发电能力优化可带来发电增益。

(4) 弱光性更好。N型TOPCon组件具有更高的内阻,更长的少子寿命,天然具有更优的弱光响应,与PERC组件比,早晚发电时长延长1 h左右。

(5) 低温度系数。N型组件温度系数为-0.30%/℃,P型组件的温度系数为-0.35%/℃,N型组件温度系数小,热损降低,高温地区可带来更多发电量。

3 新型高效N型组件经济性分析

基于海南100 MW光伏项目工程应用实践,对单晶双玻P型540Wp组件、N型565Wp组件、P型650Wp组件这3种组件,在相同条件下进行经济性分析研究,对比可见N型组件收益率最高,P型(功率为650 W)组件收益率居中,P型(功率为540 W)组件收益率最低[5-6]。光伏组件主要参数见表1,其中,选用固定支架13°,支架高度2 m(组件最低沿离地),交流侧电池容量100 MW,直流侧电池容量130 MW,容配比1.3。

表1 光伏组件主要参数及经济性比较

分析比较N型565Wp组件与P型650Wp组件得到:N型TOPCon组件成本增加约5%,项目总投资成本增加约2%,项目首年发电量增加约1.5%,全投资收益率增加约1.2%,度电成本降低约0.66%,主要经济性指标均有较大提高,能有效提升项目价值。综合考虑N型新组件先进性、发电量、度电成本等因素,项目最终选择N型组件进行方案设计[7]。

根据项目实际,新型高效N型TOPCon组件相较P型组件的经济性优势分析如下:① 更高发电量。N型TOPCon组件良好的双面率、温度系数及弱光响应,可获得比P型组件更多的发电量。② 更低度电成本。在N型TOPCon组件比P型组件价格高出5%情况下,其度电成本仍然低于P型组件。③ 更高收益率。同一项目下,N型TOPCon组件比P型PERC组件有更高的项目全投资财务内部收益率。④ 更低周边系统。得益于N型TOPCon组件更高的效率值,其相对P型组件在土地、基础、支架以及线缆等方面均有节约。

4 结 语

新型高效N型组件技术先进,具有电池转换效率高、发电量高、衰减率小、温度系数小、双面率高、弱光表现好等特点,具备较好的市场应用前景。光伏项目实践表明,项目选用N型TOPCon组件,项目发电量、全投资内部收益率等主要经济指标均有较好的改善,能有效提升项目价值。新型组件技术加速迭代,呈现爆发性增长,有望通过技术进步快速实现能效提升以及成本下降,高速发展。