晶体硅光伏组件技术进展及成本综述

         光伏发电作为新能源领域的一个重要组成部分，对人类能源利用方式的变革具有重要意义。光伏发电所依赖的是无限的太阳光资源，其能源生产在任何太阳光辐照到的地方均可进行，而且这种能源生产方式在生产能源时无任何二次污染，其生产的能源是直接进入利用环节的电能，无需进行二次转换，这些优势是其它能源生产方式无法媲美的。在互联网技术越来越发达的今天，将光伏发电与互联网技术结合，无疑会引发人类生活方式颠覆性的变化，第四次工业革命或许就在眼前。
         作为当今光伏领域技术最为成熟应用最为广泛的晶体硅光伏技术，从光伏行业诞生至今，一直占据着行业的领导地位。晶体硅光伏组件作为目前晶体硅光伏技术中实现光伏发电的最小单元，其技术的进步也直接影响着整个行业的发展，其发电能力的优劣也直接关系到人们对光伏行业的认知。作为一种能源生产的载体，其装置成本越低，可使用的寿命越长，能源生产效率越高，那么它对人们的吸引力越大。从第一块晶体硅光伏组件诞生之日开始，人们就对如何能降低其发电成本展开了研究。伴随着光伏组件辅材领域的技术进步，以及硅材料技术和晶体硅电池技术的进步，晶体硅组件发电成本不断降低，不久的将来，其将完全可以做到度电成本低于传统的火电成本，最终光伏发电会成为能源领域的重要组成部分。
        作为传统意义上的第一代光伏技术产品，晶体硅光伏组件经历了光伏行业的沉浮，并印记了人们对于实现光伏发电平价上网所做的各种努力。实现光伏发电的平价上网，离不开发电装置成本的降低和发电效率的提升，这从当前晶体硅组件的技术进展情况可以窥察到。
        晶体硅光伏组件发电能力的提升和成本的降低，既需要自身性能的优化和改进，也离不开前端晶体硅技术和电池技术的进步。本文将从目前晶体硅光伏组件产品的开发，高效晶硅技术，高效电池技术及电池材料降本三个方面介绍组件的技术进展情况及成本控制方式。
        一、晶体硅光伏组件的产品开发
        当前晶体硅光伏组件的产品开发围绕组件成本的下降，组件发电效率的提升和组件可靠性的提升而展开，目前主要集中在常规组件产品性能的优化和功能性组件产品的开发两个方面。
        1.1常规组件产品性能的优化
        常规组件产品性能的优化，主要集中于在传统组件结构下，通过组件非硅材料成本的降低，组件辅材端性能的优化改进，以及组件在系统端发电能力的提升等手段实现组件结构不变的情况下实现组件成本的降低和发电能力的提升。
        1.1.1非硅材料成本的降低
       组件非硅材料成本，即除电池外的组件所用的各种辅材的综合成本，材料主要包括玻璃、EVA、背板、焊带、边框、接线盒、硅胶等。
        随着生产工艺的成熟以及技术的不断进步，光伏组件所用辅材价格逐年降低，如2015年的组件关键辅材EVA，背板，焊带等价格均相对于09年左右下降了50%左右，显著降低了组件端非硅成本的投入。
       价格的降低，也伴随着材料结构的多样化。例如背板材料，由最初以TPT背板几乎占据全部市场的情况，变为目前市场上TPT/TPE/TPA/KPK/KPEKPF/CPC/AAA/PPE等多种类型背板共存的局面，背板这些不同技术路线的并存为组件厂家提供了多种选择方案，同时也加剧了背板市场的竞争，使得组件成本的持续降低成为可能。正是由于类似辅材料端价格的显著降低，推动了组件成本的持续下降，使得光伏发电迎来了平价上网时代。
       随着组件各种辅材技术的进步，组件厂家可选用的材料类型也显著增多，使得各组件厂家根据产品使用的地理环境差异进行材料组合定制成为可能。如目前内层封装材料有EVA，POE，离子聚合物等多种类型，不同材料在性能上有显著差异，如POE材料抗PID性能显著优于EVA，当组件应用于沿海、热带、岛屿、湖泊等地理环境下时，由于这些地理环境的温湿度较高，很容易导致组件PID效应的发生，采用POE材料进行组件封装较EVA材料封装就有显著优势。又如，背板材料有TPT，TPE，KPK，KPE，CPC，AAA，PPE等多种类型，相对而言，外层含氟的材料如TPT，KPK，KPE等氟膜的背板耐紫外性能优越，在紫外辐照量很高的沙漠、干热、高原等地带，采用氟膜的背板进行组件封装，较其它类型的背板更具有优势；而在气候条件比较温和的内陆区域，采用CPC，PPE这些耐候性适中但价格更为低廉的背板进行组件封装，更有综合性价比优势。根据组件实际应用的地理环境特点，对内层封装材料和外层背板进行优选和组合，确保产品满足地理环境耐候性的同时实现成本最优，已成为各组件厂家产品开发的一个重要理念，并被市场广泛认可。
        1.1.2组件材料性能的优化
       组件功率的提升直接带来其发电效率的提升，对于国土资源稀缺的国家，如日本等，高功率的组件产品代表着单位面积内可产生更多的电能，因此备受青睐。实施上，来自市场的竞争已经推动组件功率的逐年攀升，如2012年主流组件产品功率为250W，而今年（2015年）主流组件产品的功率已达到270W，现阶段晶体硅光伏组件功率在以5W~10W/年的速度提升。
       晶体硅的改善和电池效率的提升可以显著提升组件的功率，而除此之外，组件所用辅材性能的优化改进也可实现组件功率的提升。目前通过组件辅材优化实现组件提效的手段主要包括两方面，光学性能优化和电学性能优化。（1）光学优化，主要通过提升组件受光面积、光通量，拓宽组件光谱吸收范围等手段实现；（2）电学优化，主要通过降低组件串联电阻Rs，减少电学导通材料功率损耗。
        1.1.2.1光学优化
       光学性能的优化，主要通过对辅材结构及成分改进实现电池所受太阳光辐照量的提升，从而达到组件效率的提升。
       组件光电转换可利用面积除了电池片原有面积外，在组件中还有一部分空白区域，这些面积属于组件面积，但无法直接吸收太阳光进行发电，如能充分利用这些间隙和空白区域太阳光，将能带来组件功率的提升。高反射率的封装材料如高反背板的应用能在一定层度上提升组件功率。高反射背板的特点在于，其内表面的微观结构和材料成分较常规背板有所改进和修饰，这种改进和修饰使得其对光线的反射率显著提升（对光线的漫发射率高达90%以上，而常规背板只有70-80%）。
        1.1.2.2电学优化
       电学性能的优化，主要通过降低组件串联电阻Rs，减少电学导通材料功率损耗来实现组件效率的提升。
      组件的Rs主要构成部分为，电池片的Rs和电学导通材料电阻。电池片的Rs下降会带来电池效率的提升，这对组件效率的提升显然有利；而在组件端通过降低电学导通材料电阻从而降低组件Rs，也有利于组件效率的提升。组件中除电池外，焊带是组件电阻的主要来源。由于焊带的宽度直接影响对电池片遮蔽面积，通过增加焊带宽度降低其电阻显然不利于组件效率提升，因此可通过焊带厚度的增加来实现焊带电阻的降低。早期焊带的厚度0.2mm左右，目前主流组件产品焊带厚度已经增加到0.25mm，更高的厚度将更有利于焊带电阻的降低，但厚焊带的耐热疲劳性差也会对组件的可靠性带来负面效应。超软厚焊带产品的问世，使得焊带的厚度可以做0.27mm甚至更高，不影响组件可靠性。该焊带产品应用于组件封装，较常规0.23mm焊带制作的组件，功率增益可达2%左右。多栅线技术如4主栅，5主栅以及多铜线封装技术也可以有效的降低组件串联电阻，减少功率损失。
       1.1.3系统端组件发电性能的提升。
       组件在系统端发电性能的提升，主要通过对组件发电时进行智能控制来实现，目前具有这种功能的产品为智能组件。
      智能组件是目前市场上能在组件发电时进行自我调节的组件产品，其与常规产品的主要不同点是其接线盒的不同，智能组件采用的接线盒中包含智能芯片，该智能芯片采取独特的设计，可实现对组件中每一串电池进行智能控制，实现组件发电时电池串之间电性能曲线相匹配，在电池串出现阴影遮挡或者性能衰减造成的不匹配发生时，可自动调节并优化电池串的I-V曲线使它们恢复匹配。智能组件的显著特点是其已将整个系统分割成若干相对独立的个体单元，当其中一个单元受到外界的影响时，其他单元将继续维持自己的状态，而不会受到影响单元的干扰。此外，智能组件能够消除热斑，具有更高的户外运行可靠性。由于其监控的细致程度达到组件中每串电池串的发电量，并可自动调节优化电池串的电性能曲线，较常规组件产品，智能组件实际发电量可提升5%-20%。智能组件的这些特性使得其特别适用于分布式电站和家庭光伏系统中，在大型地面电站可用土地资源越来越少的情况下，未来光伏市场将主要在集中在分布式电站和家用光伏系统，因此智能组件产品将有很大的发展前景。
       1.2功能性产品开发。
      功能性组件产品的开发，也是围绕光伏发电度电成本的降低而展开，主要集中在新结构和高可靠性两方面。
        1.2.1新结构产品
        在新结构组件开发方面，目前比较有代表性的产品是双玻组件。
　　 双层玻璃组件，其与常规组件结构上的主要不同点为，组件背面不再采用背板材料封装，而采用玻璃封装，且封装所用玻璃较常规组件所用玻璃厚度更薄，但玻璃的机械强度等性能不变。相对于常规组件，双玻组件的双面玻璃结构设计，更有效地防止了水汽的侵入，保证了内层封装材料和电池户外运行过程中性能衰减更加缓慢，保证了其户外运行过程中的长期可靠性，且该方案在安装时不需要接地，使得户外运行过程中组件不会发生PID效应。
        双玻组件由于其盖板为更轻薄的玻璃，且不加装无边框，组件整体质量并不比常规组件大。另外，由于玻璃相比背板具有高绝缘性，其组件接线盒可直接使用1500V设计，可直接应用于高系统电压的电站方阵，显著降低系统端的成本。正是由于双玻组件这些优势，预计双玻组件市场在未来占比会逐年增加。

        1.2.2高可靠性产品
        光伏组件作为户外发电产品，其核心价值在于其高可靠性更有效的减少运行中的功率衰减，尽可能多的提高发电量。该产品优势主要体现在产品的使用寿命及其在寿命时限内发电能力的保持情况，因此具有优异耐候性的低功率衰减率的高可靠性组件产品受到市场的青睐，也成为众多组件厂家着力开发的产品。增强组件可靠性，实现产品更长时间寿命意味着能发更多点，产品使用周期中每W成本能大幅下降。

        组件的耐候性的优劣与所用封装材料性能的优劣直接相关，尤其是内层封装材料和外层背板。在内层封装材料方面，EVA仍然是市场的主流产品，不过目前所用EVA与早期相比，性能已有显著提升。早期人们对EVA的关注点主要几种在于其是否能满足组件的层压工艺以及户外使用时是否容易发生黄变、脱层等外观的可靠性，对其性能的关注也主要集中在透光率、与玻璃及背板的粘接性等，随着EVA生产技术的成熟与进步，上述这些要求已经成为EVA必备的基本性能，人们对于EVA的关注点已经转移到其是否能满足组件的特殊可靠性方面，如其是否满足组件抗PID的性能，是否能阻止组件"蜗牛纹"现象的产生，是否能够匹配电池的光谱响应曲线而提升组件功率等，如此推动了功能性EVA的产生，如抗PID的EVA，抗"蜗牛纹"的EVA，以及波长转换EVA等，这些功能性EVA的问世，反过来推动了组件户外运行可靠性的提升，使得组件功率衰减率的降低及组件整理寿命的延长成为可能。另外，一些新型封装材料，如POE等，技术也逐渐成熟并开始走向市场。POE作为一种高分子材料，较EVA显著的优势在于，其结构中不含任何酸性基团，其封装成组件后，对电池的腐蚀程度远低于EVA，如此其在抗PID，抗"蜗牛纹"等方面显著优于EVA材料，其封装的组件户外运行时具有更低的功率衰减率，因此也成为高可靠性组件产品的优选材料。
        早期人们对背板的可靠性的认识停留大多停留在实验室的常规可靠性测试评估，随着实际户外出现的新的失效模式，比如耐PID性能，耐蛇形版性能，耐高压结缘性能等特殊功能性，促使了功能性背板的开发，如高阻隔性背板、耐1500V高系统电压的背板等。高阻隔性背板的特点在于其极低的水汽透过率（低于1.0g/m2/day，而常规背板水汽透过率一般在2.0g/m2/day），这种特性使得其可尽可能多地阻止水汽进入组件内部而对封装材料和电池发生反应，进而改善组件长期耐侯性及提升组件的发电量。耐1500V高系统电压背板的特点在于，其可耐受1500V的局部发电电压（常规背板只能耐受1000V的局部放电电压），这一特性使得组件运用于电站时方阵的扩容成为可能，即一个方阵中可以容纳更多的组件，如此显著降低了的系统的部件成本和运维成本，间接提升了系统的整体运行可靠性。
       将这些功能性背板与高可靠性封装材料进行组合封装，使得组件的户外运行可靠性的提升成为现实，并直接带来组件整体发电能力的提升，如此也推动了平价上网时代的到来。
        二、高效电池组件技术及开发
         电池效率的提升对组件效率的提升所产生的作用最为有效和直接，因此，高效电池技术以及电池组件一体化匹配技术，也成为行业不断发展的重要推动力。
         2.1高效电池光谱响应匹配技术
          新的高效电池技术的开发如火如荼，高方阻高效电池，PERC，黑硅，不同类型的高效晶硅电池效率与其光谱响应直接相关，即与其可接收到的太阳光的波长范围和对太阳光各波段的利用能力相关。
          针对各类光谱响应曲线差异，对于封装材料的光学匹配性也需要优化。玻璃镀膜工艺差异，水剂及有机溶剂不同镀膜工艺，在透过率光谱上的差异，背板反射与吸收光谱等差异，均需要进行光谱匹配优化技术。
          2.2其他高效电池组件一体化技术
          对于新型高效电池技术，需要匹配专门的组件材料工艺，例如新型多主栅，无主栅电池，MWT电池，IBC电池，HIT电池，均需要匹配专门的组件工艺及成本改良技术，例如无主栅导电胶连接，MWT类导电背板，IBC电池背面多点焊接，HIT电池双面反光组件技术等，电池组件一体化技术是未来组件技术发展的重点。

           小结
          光伏发电的终极目标是代替传统能源，为人类提供永不枯竭而且绿色环保的能源。光伏组件作为光伏发电的核心装置，其技术的持续进步直接影响整个行业的发展，因此，光伏组件担负着光伏行业发展的重担。作为光伏产业的中游，光伏组件的技术进步，既受到前段晶体硅和电池技术发展的影响，也受到组件辅材技术的发展的影响，集成来自辅材、晶体硅、电池、制造装备等领域的各种先进技术并持续改进，是光伏组件技术进步的必然选择，也是最有效的路径。
          面对传统化石能源日益枯竭以及自然环境的不断恶化，可利用的资源无限且绿色环保的光伏发电，必然成为未来人们能源利用的主流方式。尽管现阶段光伏发电度电成本仍然比较高，但是各领域的技术进步已经让人们看到了光伏发电平价上网时代到来的曙光，相信随着光伏组件技术的不断进步以及组件成本的持续下行，光伏发电遍地开花的时代不再遥远。

         组件回收 太阳能组件回收   上海顾高能源  www.688si.com