高效组件技术产业化进展
发布时间:2015-04-10    编辑:jinrui   
本文摘要:无锡尚德太阳能电力有限公司 副总裁
无锡尚德太阳能电力有限公司 副总裁 朱景兵博士
  组件是电池的下段,担当着这个产业链上很多的责任,但是效率却不是组件最主要的责任,因为今天讨论的是效率问题,所以我谈一下组件如何做的更高效。
 
  在产业化过程中,我认为我收集的行业产业化的进展数据并不是很充分。我们一个公司的情况又不能代表整个行业,我对其他公司的发展了解比较少,所以我讲的东西都是在自己的立场上看待行业发展的情况。
 
  我讲的内容包括提高光伏组件效率的意义,影响效率的因素,再简单介绍提高效率的方法和进展,最后做一个简单的结论。
 
  光伏发电成本(LCOE)是我们提高效率和提高可靠性所追求的终极目标,我们希望LCOE能够跟常规电竞争,这样我们整个行业可以进一步地发展。这里我们看到组件的效率跟LCOE的影响和关系:组件的价格在3块钱到4.5块钱每瓦范围内,我们可以看到效率是LCOE的变化的很敏感的因素。如果我们追求的是每度电1.5块这样的价格,而组件的效率是15%、16%的话,那么组件的价格就要变成3.5块钱每瓦,才能够实现这样的结果;但是如果组件的效率提高到20%以上,那么组件的价格可以提高10%,甚至20%,我们整个行业尤其是我们组件生产厂家,他的毛利率有些时候都是个位数的,所以提高效率对提高盈利情况有非常大的帮助,这是我们讲提高组件效率的意义所在。上午几个同行都已经讲了,提高电池效率的意义,电池效率提高了,我们组件的效率也会提高,现在讲到提高组件的效率就会降低度电成本,可以提高组件的价格增加盈利的能力。
 
  从历史的角度可以看到,组件的价格随着人类的安装量不断的增加在不停地下降。以2011年美元的价格来衡量,组件的安装量和价格在双对数坐标系中基本上是一条下降的直线。我们可以看到,如果组件的安装量进一步增加,这根直线还是成立的话,我们组件里的成本可能只能覆盖边框,玻璃、背板等部件和材料的成本,这些部件的成本很难下降;里面电池的贵的那部分成本可能会降到零,那么这个直线不可能成立。怎么样能够让这根线一直下去,唯一的方法,就是提高电池和组件的效率。这是整个行业的情况。在行业中,企业之间的竞争包含了成本的竞争,谁的效率提升了谁就有竞争优势;如果提升得慢,就可能会被淘汰。中国企业做了很多提高电池组件效率的项目,做出了很多的努力。提升效率可以说是我们在这个行业竞争中的主要手段。
 
  这里我把MGT数据稍微做了一些归拢,因为他只是给出了比如每年组件的效率是多少,组件价格是多少,盈利是多少这样的报告。我们把这个数据转化一下,比如以2014年的数据为例,组件的成本是每瓦0.5美元,到了2017年的时候,人工成本增加2美分,但是由于效率引起的成本下降,成本下降可以达到6.9美分。其他的规模效应的影响,还有自动化程度的提高也会对成本的下降带来好处。整个成本的下降中,50%左右来源于组件的效率的提升,同样花那么多的钱在边框等材料和人工上,组件效率提高了,每瓦组件的材料用量减少了,生产效率也提高了,可以使组件成本下降很多。所以技术是降低成本的主要途径,也是我们实现平价上网的主要途径。这里稍微做一点总结,为了降低LCOE,就要降低光伏的最终产品的成本。降低这个成本可以减少行业和企业的压力,减少产业的资源和利用率,我们同样组件所需要耗费的其他材料就会少。那么光伏这个行业就会显得更加绿色。
 
  刚才讲了提高光伏组件效率的的意义,现在我们看看光伏组件效率由哪些因素决定的。首先是光损失、还有一个光生产的非平衡载流子的复合损失,最后是组件内由于有电阻当电流流过时产生的内部损耗。如果再分解,就有很多不同的因素,它们都对组件能量损失有贡献;因为各个公司的电池组件的技术不一样,各个因素对能量损失的贡献有一个很大的分布范围。在这些因素中,组件方面的因素用绿色表示出来。电池方面的分析已经有了一些报告了,不再重复。这里我们只对组件方面的因素进行分析,讲一下怎么改进。
 
  这里我们认为电池对效率的影响是最大的,而组件方面能够改进的空间比较小。必须指出的是,在电站方面,有很多改进的余地。因为我们是个集团公司,我们从硅片到电站一直做到卖电。我们发现将努力放在提高电站的效率上是事半功倍的事情,整个行业应该在这个方面加大投入。
 
  提到提高组件效率的方法,我就把和组件有关的因素讲一讲。这里我们看到,焊带对光效率有很大的影响,照到焊带上的光基本上被全部返回到空气中去,不参与发电。但是如果我们把焊带的向光面做成三角形或锯齿形,照到焊带的光被斜着反射出去。我们知道,当光从光密介质射向光疏介质,如果入射角大于勃鲁斯特角,它是被100%反射回光密介质的。这样被焊带反射的光又被玻璃反射回来,照到旁边的硅片上被二次利用,参与了发电。这个利用的原理是物理学中很早很早就已经发现的。我们在水底下潜水的时候,就可以发现这个现象,我们只能在一个有限的角度内透过水面看到空中。还有鹰抓鱼的时候也利用了这个原理,鱼很难看到鹰,而鹰很容易看到鱼。最早MIT为他们在反光焊带的发明申请了专利,因为他们利用的知识太普通了,专利没有得到批准。
 
  如果把焊带反射的光利用起来,在6英寸的硅片上焊带的总宽度在3到5毫米之间,那么大概有2%-3%的光被反射掉,如果我们利用它的80%的话,可以提高相当多的光效率。3M做了一种反光薄膜,可以贴在焊带上,使组件的效率提高达2%。同时由于焊带挡的光少了,可以增加焊带的宽度,减少电阻造成的能量损失。现在国内已经有多家焊带厂家在研发,希望整个行业都支持这样的项目,总有一天我们使它对效率的增加,远远大于对成本的增加。
 
  另外,组件中电池和电池之间存在一个缝隙,照射到上面的光没有被很好地利用起来。这个缝隙占的组件面积的3%以上。如果我们在背板也做成反光的形式,照射到背板上的光,同样也可以照到电池上,同样也可以提高光的效率。
 
  另外光伏里最头疼的是:在光能转化成电能时熵并没有减少,所以100%的光能都可以转化成电能的;可为什么我们电池的效率,比如像晶硅电池的效率,理论上也只能做到29%或者30%,看不同的算法。肯定有一部分光的能量没有被很好地利用起来。从图上可以看到如果入射的光子波长太长,这个光子的能量小于硅的禁带宽度,那么硅片对于这个光子是透明的,光子不能参与发电;而对于高能量的光子,不管其能量有多高,被硅吸收后只产生一对非平衡载离子,光子的很多能量没有被转化成电能,却转化成了热能。以上两个问题使整个太阳光的能量不能很高效地转变成电能。
 
  我们知道太阳光在地球上的能量密度很低,我们可以用聚光的方法,在空间上把光聚焦到小面积上去,那么我们能不能在频谱上把它聚焦到我们需要的光子频谱范围内去呢?现在已经考虑的技术叫光的上下转换。所谓的上转换,就是说,把两个低能量的光子变成一个光子,生成的光子能量大于硅的禁带宽度,它就可以被硅吸收了,参与发电;另外,一个高能量紫外光子,分裂为两个光子,被硅吸收后产生两对非平衡载流子,增加了电池的输出。如果说,改变电池的材料和结构是‘换地’,那么这样改变入射光的研究项目可以说是‘改天’。理论上我们讲了很多,在电池和组件怎么做?四年前我跟杜邦讨论了这个问题,他们的材料特别强,但经过探讨后发现上转换和下转换都不好做。最近有一些突破。我最近接触到一家公司正在研究这方面的内容,由于签了保密协议不方便讲太多,我们可以稍微的讲一下原理。他们在EVA中掺进了非线性的光学介质,它可以把一个高能量的光子,分解成两个低能量的光子,都照到硅片上,这样看起来好像是紫外的这一部分EQE提高了,实际是高能量的光子转化成了低能量的光子,并增加了光子数量,在测量中表现为短波长EQE提高了。目前组件的效率相对提高大概在1%左右。
 
  这样的EVA材料有两个问题。首先,里面的非线性介质也会对光散射,而且其成本也有提高,我认为目前这种方案还没有纯经济价值。但是我们以后可以提高,如果掺进去的材料介电常数跟EVA的介电常数接近,就不存在这样一种光散射的问题。第二个问题是它的可靠性和耐久性。这是一种陶瓷材料,我觉得它的耐久性应该没问题,但还是测试结果说了算。
 
  通过在玻璃上镀上抗反膜也增加光效率。这已经被广泛采用,就不多说了。一般来说,利用抗反膜,组件的效率提升达2%-2.5%。在西北地区做过一些实验,由于风沙、腐蚀的缘故,有一些做得不好的薄膜,用了几年以后,它抗反的能力没有了;相反,有些薄膜的脱落还会进一步影响光效率。对于组件厂家来说,组件卖出去的时候效率提高了,收入增加了,电站中组件的衰减比较快。这个问题要引起行业的注意,可靠性和耐久性应该是买家要考量的,应该作一些检测。
 
  我们在经验中发现,最好的抗反膜的结构是中空但不通透。像馒头一样,表面比较光细,里边是有圆孔,圆孔与圆孔之间不通的材料比较好。
 
  下面谈谈如何减少内耗。组件90%的内耗发生在焊带上。通过WMT,增加焊带的宽度和厚度而减少内耗是一个非常有意思的事情。这里有几根常规组件的曲线,增加焊带宽度,组件内耗减少,但焊带挡光在增加,焊带成本也增加,所以焊带的宽度有一个最佳值。如果做三根焊带,四根、五根焊带,最佳值当然是不一样的。但是如果用了反光焊带的话,平衡值可以往高处移,这根代表总损失的线可以往下移动。可以看到,焊带宽度对组件效率,而且对公司生产的盈利都会有影响。
 
  我们在这个行业中,技术之间存在竞争。有些技术出现了,有些技术消失了。我们选择研发项目和技术的时候,要考量技术的可靠性。跟我们组件的可靠性一样,好的技术对行业有较大的价值。我们以电池电镀电极为例。几年前,相对其他的技术来说,它有很好的优势。可是随着银浆的技术不断提高,电镀的技术到底还会有多大的优势,这都是在我们在立项的时候就应该考虑的。现在科技发展在加速,颠覆性技术不断出现。不仅光伏行业,其他行业的变化都是惊涛骇浪。计算机行业最早的时候用纸带记录和存储信息,后来用磁带,后来又变成两维的光盘,再变成U盘,现在转换到云计算。过去的二三十年的时间的变化就那么快!
 
  那么我们光伏行业又会怎么样呢?从不同技术的学习曲线可以看到,一个旧技术随着累计产量增加,他的成本会下降;而一个新的技术,出现的时候成本上也许没有竞争力,但随着产量的增加,经验不停的积累,一旦新技术的成本小于旧技术,旧技术就可能被完全淘汰。这一根代表旧技术的蓝色线在这个地方就消失了。我认为我们现在所有的提高晶硅光伏组件效率的技术中有些东西是相互竞争的;晶硅又和其他光伏技术竞争,等等。除此之外,可能的颠覆性技术还包括光化学类的发电,到功能分子发电,等。利用功能分子和阳光制氢这个技术听起来就很有趣。地球上,经过多少亿年时间出现了绿叶体,把光能直接转化成化学能,所有地球上的生物基本上都是依赖于它。以后人类能不能制造出一种功能分子,把100%的光能用来制造出氢,我们用这个氢和燃料电池,进行发电。这个是不是能够颠覆呢?我现在知识比较有限,能谈到的大概就这些。
 
  最后做一个总结。我们要努力地提高组件的转换效率,这是降低组件成本的主要途径。另外组件效率增加主要靠电池和硅片技术;在组件技术层面有一定的空间提高组件的效率。我们要注意确保和提高组件的可靠性,它的发电时间的长度直接影响到LCOE。还有电站结构的运营和维护,有很大的改进空间,改进电站技术是一个事半功倍的事情。
 
  这就是我的报告所有内容,谢谢大家。
 

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