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單多晶硅片性能對(duì)比

單晶硅片與多晶硅片在晶體品質(zhì)、電學(xué)性能、機(jī)械性能方面有顯著差異。下面的圖1是晶體硅光伏產(chǎn)業(yè)鏈的完整圖示，從硅料到硅棒、硅片、電池、組件再到系統(tǒng)。如圖1中紅色邊框標(biāo)示，單晶和多晶的差別主要在于原材料的制備方面，單晶是直拉提升法，多晶是鑄錠方法，后端制造工藝只有一些細(xì)微差別。  
    
晶體品質(zhì)差異

圖2展示了單晶和多晶硅片的差異。硅片性質(zhì)的差異性是決定單晶和多晶系統(tǒng)性能差異的關(guān)鍵。左圖是單晶硅片，是一種完整的晶格排列；右圖是多晶硅片，它是多個(gè)微小的單晶的組合，中間有大量的晶界，包含了很多的缺陷，它實(shí)際上是一個(gè)少子復(fù)合中心，因此降低了多晶電池的轉(zhuǎn)換效率。另一方面，單晶硅片的位錯(cuò)密度和金屬雜質(zhì)比多晶硅片小得多，各種因素綜合作用使得單晶的少子壽命比多晶高出數(shù)十倍，從而表現(xiàn)出轉(zhuǎn)換效率優(yōu)勢(shì)。


單晶是一種完整的晶格排列，在同樣的切片工藝條件下表面缺陷少于多晶，在電池制造環(huán)節(jié)，單晶電池的碎片率也是小于1%的，通常情況下是0.8%左右。單晶硅片可以穩(wěn)定應(yīng)用金剛線切割工藝，顯著降低切片成本，并提高電池轉(zhuǎn)換效率。對(duì)多晶而言，晶體結(jié)構(gòu)的缺陷導(dǎo)致在電池環(huán)節(jié)的碎片率一般大于2%，并且硅片切割工藝的改進(jìn)難度很大，因?yàn)樗鼪]法用金剛線切割，只能用傳統(tǒng)的砂線來切，成本上基本沒有多大的下降空間。

電學(xué)性能差異

圖3是單多晶的少子壽命對(duì)比。藍(lán)色代表少子壽命較高的區(qū)域，紅色代表少子壽命較低的區(qū)域。很明顯，單晶的少子壽命是明顯高于多晶的。



機(jī)械性能差異

圖4是單晶硅片和多晶硅片的機(jī)械性能電腦分析對(duì)比數(shù)據(jù)。可以看出，多晶硅片的最大彎曲位移比單晶硅片低1/4，因此在電池的生產(chǎn)和運(yùn)輸過程中更容易破碎。我們今天講電站的質(zhì)量問題，很重要的一點(diǎn)，組件在運(yùn)輸過程中可能產(chǎn)生電池片破碎、隱裂等問題，相對(duì)多晶而言，單晶在運(yùn)輸中的抗破壞性能比較好。在長(zhǎng)期的高低溫交替過程中，多晶組件更容易發(fā)生隱裂，這樣就降低了它的輸出功率。



單多晶電池對(duì)比

晶硅電池發(fā)展歷程

1839年，法國(guó)科學(xué)家貝克雷爾發(fā)現(xiàn)液體的光生伏特效應(yīng)。

1917年，波蘭科學(xué)家切克勞斯基發(fā)明CZ技術(shù)，后經(jīng)改良發(fā)展成為太陽能用單晶硅的主要制備方法。

1941年，奧爾在硅材料上發(fā)現(xiàn)了光伏效應(yīng)。

1954年，美國(guó)科學(xué)家恰賓和皮爾松在美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室首次制成了實(shí)用的單晶硅太陽能電池。

1955-1975年，由于單晶電池成本較高，產(chǎn)業(yè)界不斷致力于降低晶體制造成本，并提出鑄錠單晶工藝。

1976年，鑄錠單晶技術(shù)失敗，德國(guó)瓦克公司率先將鑄錠多晶用于太陽能電池生產(chǎn)，犧牲晶體品質(zhì)以降低發(fā)電成本。

2005-2010年，多晶電池技術(shù)基于相對(duì)便宜的成本快速擴(kuò)大份額。

2013年，松下HIT單晶電池轉(zhuǎn)換效率達(dá)到25.6%，突破了光伏產(chǎn)業(yè)界最高理論效率極限，人們?cè)俅卧u(píng)估各種技術(shù)的性能和成本區(qū)間。

2013-2015年，連續(xù)快速拉晶技術(shù)和金剛線切片技術(shù)的導(dǎo)入使得單晶組件成本與多晶組件成本差距縮小到3%以內(nèi)，采用單晶組件與采用多晶組件的電站單位投資成本持平。

預(yù)計(jì)到2016年，隨著PERC等高效技術(shù)的應(yīng)用，單晶組件與多晶組件成本將達(dá)到一致。

轉(zhuǎn)換效率對(duì)比

影響轉(zhuǎn)換效率的3項(xiàng)主要參數(shù)是：Voc(開路電壓)、Isc(短路電流)、FF(填充因子)，公式為：Eta=Voc×Isc×FF

從光電轉(zhuǎn)換效率參數(shù)分解來看，單晶電池的各項(xiàng)參數(shù)全面領(lǐng)先于多晶，詳見表1。一般來講目前工藝下國(guó)內(nèi)單晶電池量產(chǎn)效率是19.55%左右，做得好的話可以達(dá)到19.8%-19.9%，取決于它是三柵線還是四柵線；多晶電池量產(chǎn)效率一般是18.12%左右。

下面的表2是單晶電池和多晶電池在量產(chǎn)層面轉(zhuǎn)換效率發(fā)展?jié)摿Φ臄?shù)據(jù)，單晶優(yōu)勢(shì)非常明顯。

在實(shí)驗(yàn)室記錄方面，單晶技術(shù)潛力的優(yōu)勢(shì)更加顯著。多年前澳大利亞新南威爾士大學(xué)開發(fā)出的P型單晶硅電池（PERL）最高轉(zhuǎn)換效率可達(dá)25% ，這一紀(jì)錄多年沒有被打破。PERL與我們現(xiàn)在做的PERC差別就在于，PERL在BSF上不使用鋁擴(kuò)散，而是采用了銅擴(kuò)散，因此轉(zhuǎn)換效率比PERC更高一點(diǎn)。目前SunPower開發(fā)出的N型單晶硅IBC 電池的最高轉(zhuǎn)換效率達(dá)25% ，松下N型單晶硅HIT異質(zhì)結(jié)電池轉(zhuǎn)換效率高達(dá)24.7% ，去年推出的“HIT+IBC”電池的效率高達(dá)創(chuàng)記錄的25.6% (Panasonic)。以上數(shù)據(jù)全部是基于單晶硅技術(shù)的實(shí)驗(yàn)室記錄，而多晶硅電池最高實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)換效率僅為20.8% ，差別是比較大的。單晶硅電池在各項(xiàng)主要參數(shù)上均全面高于多晶硅電池，在未來高效率發(fā)展方面具有更大的潛力。

下圖5是單多晶量子效率的對(duì)比，結(jié)果顯示單晶電池?zé)o論是在短波還是近紅外波段，量子效率都明顯高于多晶。這主要是由于多晶硅片存在較高的晶界和位錯(cuò)缺陷，少子壽命普遍低于單晶。

另外，單晶具有更好的弱光響應(yīng)。從圖6可以看出，在輻照高的地方單多晶相差不大，但在輻照低的地方，單晶電池的弱光響應(yīng)是明顯高于多晶的，這也反映在全年的發(fā)電量差別上面。