云南省推动N 型晶硅太阳电池技术发展面临形势及应对建议

余东波, 苏睿婷

(云南省科学技术情报研究院,云南 昆明 650051)

0 引言

近年来,光伏发电作为重要的可再生能源发电技术取得了快速发展,在全球很多国家已成为清洁、低碳并具有价格竞争力的能源形式。 目前,光伏产业已成为我国少有的形成国际竞争优势、实现端到端自主可控、并有望率先成为高质量发展典范的战略性新兴产业,国内光伏产业在制造业规模、产业化技术水平、应用市场拓展、产业体系建设等方面均位居全球前列,多晶硅产量、组件产量、光伏新增装机量及累计装机量已连续多年位居全球首位[1-2]。 截至2023 年3月底,我国并网发电的太阳能发电装机容量约4.3 亿kW,已超过水电成为国内第二大电源、第一大可再生能源。 云南省绿色能源装机占比超过85%,绿色发电量占比约90%,能源产业已跃升为全省第一大支柱产业[3-4]。 2023 年第5 期《云南能源简报》显示,截至2023 年6 月底,全省除水电外的新能源发电装机容量2 150.35 万kW,统调发电装机容量中太阳能达到865.02 万kW。 然而,当前云南省光伏产业制造优势主要集中在单晶硅棒(片)环节,光伏下游及配套产业存在明显不足。 与此同时,我国光伏发电产业发展受太阳能组件产量、多晶硅产量、多晶硅进口量、发电装机容量等多种因素影响,其中太阳能组件产量对国内光伏产业的累计装机量影响较大[5]。 因此,云南省依托现有光伏产业基础,积极开展晶硅太阳电池的技术研发及产业化,有利于提高晶硅太阳电池环节竞争力,也有利于促进光伏组件环节发展,还有助于全省光伏产业整体优势的发挥。

1 晶硅太阳电池发展概况

自1839 年Becquerel 发现“光生伏打效应”以来,人们就开始尝试将太阳能转化成电能,最先出现的太阳电池是1954 年美国贝尔实验室研制的世界上第一块光电转换效率达6%的实用单晶硅太阳电池[6]。 经过几十年的发展,光伏电池领域发展突飞猛进,光电转化效率不断刷新,光伏装机规模不断扩大,2016—2022 年,全球新增装机量由77 GW 增至230 GW,增长了2 倍[7]。

根据半导体材料的不同,光伏电池包括晶硅电池、薄膜电池以及叠层和新结构电池,根据硅片材料的不同,晶硅太阳电池分为单晶硅电池和多晶硅电池,根据硅片掺杂元素的不同,单晶硅电池又分为P型电池和N 型电池。 总体来看,在目前工业化应用的晶硅太阳电池中,P 型电池主要包括常规P 型电池和PERC 电池以及PERC+电池,而N 型电池包括TOPCon 电池、HJT 电池、IBC 电池等[8],这些N 型电池在转换效率、温度系数、双面率、抗衰减性等方面具有明显优势,被认为是当前晶硅光伏发电产业化应用的主流技术。

2 N 型晶硅太阳电池发展趋势

在降低度电成本目标驱动下,技术迭代成为推动光伏行业加快发展的关键因素,而光伏电池作为整个光伏产业的核心技术环节,引领着光伏产业的技术发展方向。 当前,晶硅太阳电池占据着光伏电池规模化生产与应用的主体,随着P 型电池效率达到瓶颈,高效N 型晶硅太阳电池成为产业发展和市场应用的关注焦点,针对技术难点加快创新步伐成为我国提升N型晶硅太阳电池技术自主创新能力的重要选择[9]。

2.1 N 型晶硅太阳电池市场份额不断增加

2022 年全球光伏新增装机230 GW,创历史新高;我国光伏新增装机87.41 GW,同比增长59.3%。2022 年我国除硅片产能占比与2021 年基本持平外,其他各环节产能、产量均实现不同程度增长,其中,光伏电池片产能占全球86.7%,达到505.5 GW,同比增长40.2%;光伏电池片产量占全球90.3%,约为330.6 GW,同比增长67.1%。

与此同时,以TOPCon、HJT、IBC 等为代表的N 型晶硅太阳电池市场份额快速提升。 2022 年全球光伏电池片扩产主要来源于大尺寸PERC 和N 型的产能增长,N 型晶硅太阳电池占比合计达到约9.1%,其中N 型TOPCon 电池片市场占比约8.3%,HJT 电池片市场占比约0.6%,XBC 电池片市场占比约0.2%。 据预测,未来数年将进入N 型晶硅太阳电池发展的黄金时期,2023 年TOPCon 电池片市场占比或将提升至18.1%,较2022 年提升近十个百分点。 截至2023 年年底,N 型晶硅太阳电池的合计市场份额有望突破22.5%。 到2025 年,N 型晶硅太阳电池有望取代PERC 成为光伏市场的电池主流技术,而PERC 电池市场占有率将降低至40%。

2.2 N 型晶硅太阳电池技术快速发展

总体上说,近年来光伏产业技术创新呈现快速发展的趋势。 PERC 电池的理论极限效率为24.5%,而目前PERC 产线的量产效率已经达到23%,正逐步逼近理论极限效率。 而N 型电池能够突破P 型电池的理论效率极限并达到更高转换效率,各种实验数据和应用情况表明N 型晶硅太阳电池发展优势明显。 具体原因有以下几个方面。

一是我国N 型晶硅太阳电池实验室效率多次刷新世界纪录。 2022 年年底,晶科能源单晶双面N 型TOPCon 电池实现26.4%的转换效率;2023 年4 月,中来股份N 型TOPCon 电池认证后的效率达26.7%;2022年年底,隆基绿能公司在商业化尺寸硅片上制备的高效硅异质结(HJT)电池的实验室转换最高效率达到26.81%;2023 年年初,迈为股份联合澳大利亚Sundrive公司的铜电极HJT 电池效率达到26.41%。

二是N 型晶硅太阳电池产业化技术取得较大突破。 2022 年国内主流企业P 型双面晶体硅太阳能电池量产平均转换效率为23.2%,而N 型TOPCon 电池初具量产规模且平均转换效率达到24.5%,较2021年有较大提升,HJT 电池量产速度加快、产线平均效率达到25%,XBC 电池平均转换效率达到24.5%。预计到2025 年,TOPCon、HJT、XBC 的平均转化效率将分别达到25.4%、25.7%、25.6%。

三是N 型晶硅太阳电池组件实际应用的发电性能优势明显。 国家光伏质量检测中心于2022 年9 月至2023 年3 月在我国宁夏银川开展的PERC 和TOPCon 组件比较研究表明,固定支架上N-TOPCon组串较P-PERC 组串的单瓦发电量平均增益为3.68%,同时TOPCon 的光致衰减比PERC 小得多,平均功率衰减分别为0.51%和1.38%。 国家电力投资集团有限公司在西北大基地开发的100 MW 光伏电站的一项比较研究表明,相较于常规P 型PERC 组件,N 型TOPCon 电池组件增效明显,两个N 型阵列组件的单千瓦发电量增益分别达到4.36%和5.12%,远超项目测算的3%水平。

3 云南省发展N 型晶硅太阳电池技术的基础条件

3.1 政策有力支持

我国持续出台政策促进光伏发电产业发展,加快推动光伏发电技术的革新和推广。 2022 年1 月,国家发展改革委、国家能源局印发的《“十四五”现代能源体系规划》提出,开展高效光伏电池技术研发及示范应用;2022 年8 月,工信部等五部门联合印发的《加快电力装备绿色低碳创新发展行动计划》提出,推动TOPCon、HJT、IBC 等晶体硅太阳能电池技术和钙钛矿、叠层电池组件技术产业化。 同时,云南省也高度重视光伏产业发展,2022 年6 月,省发展改革委、省工信厅联合印发的《关于光伏产业发展三年行动及配套政策措施的通知》提出,重点延伸和做强电池片,依托单晶硅棒(片)产能规模优势加快发展电池片,力争到2024 年高效电池片产能达100 GW/年以上;2022年11 月,云南省工业和信息化厅等五部门印发的《云南省智能光伏电站装备产业发展三年行动计划(2022—2024 年)》提出,加快推动技术创新研发,鼓励支持开展TOPCon、HJT、IBC、钙钛矿、叠层等高效电池的研发与产业化。

3.2 产业快速发展

党的二十大以来,云南省锚定“3815”战略发展目标,大力推动具有比较优势的产业加快发展。 2022年,云南省光伏全产业链产值达1 073 亿元,跃升为千亿级产业;2023 年1—6 月,云南省绿色硅产值达535.4 亿元,云南光伏产业稳步迈入“千亿时代”[10]。光伏开发建设步伐不断加快,2023 年1—6 月,云南省新增光伏发电并网装机417.48 万kW,是同期风电并网装机的1.42 倍;云南省统调光伏发电量达50.85亿kW·h、同比增长116.5%。 云南省光伏产业集聚态势逐步显现,力争打造具有较强协同效应的“工业硅—多晶硅—单晶硅—电池片—组件+配套产业+光伏电站”的光伏全产业链[11]。 截至2023 年6 月,云南省光伏产业建成工业硅产能115 万t、多晶硅5.2 万t、单晶硅棒133 GW、单晶硅片117 GW、电池片10 GW、光伏组件6.25 GW,工业硅、单晶硅片建成产能均居全国第二位。

3.3 N 型晶硅太阳电池加快布局

在新一轮的产业转移和区域合作中,云南省充分发挥资源、区位、产业等优势,加快推动省内晶硅太阳电池布局建设。 2021 年12 月,位于楚雄市的晶科能源(楚雄)有限公司5 GW 车间试生产出云南省第一片高效太阳能电池片;2023 年4 月,宇泽公司单晶硅棒项目在广南的10 GW 投产,在东川10 GW 和楚雄20 GW 开工建设,成为N 型切片行业的领跑者;2023年5 月,在原生产P 型PERC 电池片的基础上,晶科能源公司下线了云南省首片N 型TOPCon 高效太阳能电池片;2023 年7 月,云南润阳年产13 GW 的N 型高效太阳电池片首条生产线在曲靖经开区建成,填补了曲靖晶硅太阳电池生产空白。

4 云南省推动N 型晶硅太阳电池技术发展相关建议

4.1 统筹谋划研发工作

一是坚持全产业链思维。 立足增强产业链和供应链协同开展晶硅太阳电池的研发及应用,可加快补齐云南省光伏产业发展短板和完善上下游布局,既能促进省内上游硅棒(片)环节的延伸拓展,又能为开发出更高功率、更高效率、更高发电量的光伏组件产品奠定基础,从而打造形成具有更强协同效应的硅光伏产业链。

二是注重不同技术路线的布局引导。 N 型晶硅太阳电池的不同技术路线的发展基础、主要设备及产业配套都有所不同,产业参与各方需要围绕更高转换效率和更低度电成本这一根本标准,在产业发展过程中合理配置资源,加快促进高效低成本晶硅太阳电池技术落地见效,不断提高晶硅太阳电池技术的产业化应用水平。

4.2 精准开展关键核心技术攻关

一是优化完善工艺设备。 围绕不同技术路线进行应用技术研发,优化TOPCon 电池片背面钝化、异质结电池片TCO 沉积等生产设备性能,加大异质结电池微晶技术成果转化,促进生产成本的降低及良率的提升。 同时,推动多主栅、无主栅、非接触激光印刷、柔性互联等先进组件技术的转化应用,不断提高光伏发电效率和促进高效光伏组件生产。

二是推动关键辅料研发应用。 围绕云南省N 型晶硅太阳电池规模化发展,除注重光伏级高纯石英砂、封装胶膜等原材料供应外,还应结合云南矿冶新材料基础,加强TOPCon 电池用高温银浆、异质结电池用银包铜低温浆料、光伏焊带用锡等辅料的研究和产业化生产,确保云南省晶硅太阳电池规模化生产的品质。

三是鼓励开展新型电池结构研究。 针对当前TOPCon、HJT、IBC 等各类N 型晶硅太阳电池技术路线还未完全定型的实际情况,围绕新型太阳电池结构的研究与发展,深入开展异质结背接触、隧穿氧化层钝化背接触、叠层电池等方面的应用基础研究和关键技术研发,推动具有更高转换效率的光伏电池技术应用发展。

4.3 多方式推进研发创新

一是结合相关州市发展基础、资源禀赋和区位优势,依托重点光伏产业园区开展差异化晶硅太阳电池研发工作,加大对晶澳科技、晶科能源、润阳等已规划或落地电池生产线和隆基、阳光能源、宇泽等企业的研发创新支持,促进省内TOPCon 电池加快形成规模产能,推动HJT 电池的中试生产和商业化应用落地。

二是支持产业链主导企业开展晶硅太阳电池协同攻关。 注重以龙头骨干企业为主进行科技创新资源配置,在积极推动企业开展自身技术研发的同时,围绕产业链大力引导不同企业联合开展硅片与电池、电池与组件、组件与应用的产业链上下游协同创新,尽快实现N 型晶硅太阳电池的规模化发展。

三是支持云南省企事业单位开展晶硅太阳电池创新平台建设。 强化云南省科研资源和龙头企业的合作创新,积极组建包括晶硅太阳电池在内的光伏产业国家级研发创新平台或创新联合体,在铝浆、银浆、背板等晶硅太阳电池配套产业布局建设技术创新中心,积极推动进入云南的光伏龙头企业建立本地化研发中心。

4.4 注重发挥市场需求拉动作用

一是推动典型场景应用示范。 围绕光伏多元化应用场景,加快推进光伏发电成套技术及智能化控制系统、硅电池大容量光伏并网、光伏制氢等光伏系统集成与应用示范,注重在大规模、高比例、多元化等方面形成若干N 型晶硅太阳电池典型应用案例。

二是开展应用验证对比研究。 以政府采购、揭榜制、场景验证等方式,开展N 型晶硅太阳电池应用实证对比研究,充分展现不同N 型电池组件应用在降低成本和提升效益方面的作用。 通过产业对接、展销会、交流会等方式开展广泛宣传,以下游市场应用需求拉动晶硅太阳电池发展。

三是大力拓展区域性光伏市场。 依托骨干企业的区域性产业链布局,加大政策引导支持力度,不断增强对国内光伏适宜地区和周边国家的晶硅太阳电池片及组件的市场供应,积极拓展海外晶硅太阳电池应用市场,加快形成辐射南亚东南亚的N 型晶硅太阳电池生产制造和应用示范基地。

5 结语

近年来,云南省通过巩固提升光伏产业上游优势,促进形成了“1+4+4”光伏产业发展空间布局,大力推动延链补链强链工作,有力促进了云南省光伏产业发展。 从N 型晶硅太阳电池市场份额不断扩大、技术效率快速提升等发展趋势来看,云南省应抓住晶硅太阳电池技术迭代发展机遇,综合采取统筹谋划晶硅太阳电池创新、精准开展关键核心技术攻关、促进技术和产业协同配合发展等措施,大力推动TOPCon、HJT 等N 型电池的技术研发和产业化应用工作,从而为云南省打造光伏产业集群和建设中国光伏之都提供强有力的科技支撑。