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【原創(chuàng)】光伏時(shí)代即將到來,硅在其中發(fā)揮什么作用?


來源:中國粉體網(wǎng)   星耀

[導(dǎo)讀]  硅在光伏發(fā)電中,是絕對的C位,活躍于各個(gè)核心環(huán)節(jié)。

中國粉體網(wǎng)訊  隨著煤炭、石油資源的短缺,太陽能逐漸走進(jìn)人們視野。小到街邊的路燈、房屋,大到工廠、沙漠、太空站,都已經(jīng)開始使用太陽能發(fā)電。


 

圖片來源:Pexels


光伏是太陽能發(fā)電系統(tǒng)的簡稱,作為一種可持續(xù)發(fā)展的綠色行業(yè),光伏產(chǎn)業(yè)正受到越來越多的關(guān)注。作為太陽能電池的原料之一,首先我們認(rèn)識一下硅。


硅簡介


硅是地殼中含量第二豐富的元素,地殼中約含26.3%,僅次于氧元素。硅是介于金屬和非金屬之間的半金屬。


1823年,瑞典化學(xué)家貝采利烏斯首次分離出硅,命名為silicium,元素符號是Si。

 

在常溫常壓下,Si具有正四面體金剛石型晶體結(jié)構(gòu),晶體硅是間接帶隙半導(dǎo)體,其帶隙為1.12eV,計(jì)算可得晶體硅太陽電池的理論轉(zhuǎn)換效率極限為29%,晶體硅的折射率為3.4,如果不做任何處理,40%的入射可見光將在前表面發(fā)生反射。


Si有無定形硅和晶體硅兩種同素異形體。無定形硅為黑色;晶體硅呈鋼灰色,有明顯的金屬光澤、晶格和金剛石相同,硬而脆,能導(dǎo)電,但導(dǎo)電率不如金屬且隨溫度的升高而增加,屬半導(dǎo)體。


硅在光伏行業(yè)的應(yīng)用


硅在光伏發(fā)電中,是絕對的C位,活躍于各個(gè)核心環(huán)節(jié)。


 


1硅料/硅錠環(huán)節(jié)


硅料是光伏產(chǎn)業(yè)鏈的核心原材料,是制約光伏產(chǎn)業(yè)鏈的瓶頸之一。


硅料是影響晶體硅電池系列產(chǎn)品成本的最主要因素。為了降低成本,減少硅材料的損耗,增加硅錠/硅棒尺寸、增加硅片尺寸和減薄硅片厚度將是光伏行業(yè)上游各環(huán)節(jié)不變的發(fā)展趨勢。


 

圖片來源:特變電工


目前多晶硅錠的尺寸正從G6和G7逐步向G8發(fā)展,硅錠重量也從800kg逐漸增加至1000kg以上,根據(jù)ITRPV2020的預(yù)測,到2024年,多晶硅錠的重量或?qū)⑻岣咧?200kg。


2022年以來,硅料價(jià)格維持上漲的態(tài)勢。


2硅片環(huán)節(jié)


隨著國內(nèi)光伏發(fā)電量的持續(xù)增長,草原沙漠戈壁上閃爍著的成片光伏板越發(fā)常見。而硅片就是這一塊塊電池板的重要組成部分,它可以吸收太陽送來的光能,轉(zhuǎn)換成電能,集中存儲(chǔ)并送進(jìn)千家萬戶。


 

圖片來源:隆基股份


近幾年光伏產(chǎn)業(yè)的硅片切割環(huán)節(jié)主要圍繞著大尺寸硅片和薄片的方向發(fā)展。增加硅片尺寸可以提升組件功率、降低成本。行業(yè)內(nèi)生產(chǎn)的硅片尺寸主要包括157mm、157.75mm和158.25mm等,目前正逐步向166mm、182mm、210mm等大尺寸推進(jìn)。


此外,薄片化是硅片環(huán)節(jié)的另一發(fā)展趨勢。近幾年硅片厚度已從210μm、200μm降低到180μm、170μm,且仍在持續(xù)降低。


過去10年,光伏是國內(nèi)發(fā)電成本下降最快的能源類型,成本累計(jì)下降約90%。能取得這樣的成績,最大的原因就是產(chǎn)出的硅片一直變薄、變大。目前,全世界最大、最薄的G12光伏硅片,正是在天津TCL中環(huán)工廠生產(chǎn)的。


3電池環(huán)節(jié)


傳統(tǒng)的太陽能光伏電池是P型電池,而近年來,N型電池技術(shù)不斷成熟,已經(jīng)在產(chǎn)能和良品率兩方面都實(shí)現(xiàn)了突破。


P型電池是以P型半導(dǎo)體為基礎(chǔ)制成的P型硅片。由于P型硅片摻雜硼元素,且硼與硅雜質(zhì)分凝系數(shù)相當(dāng),因此P型電池分散均勻度較容易控制,所以制備工藝相對簡單,成本較低。


N型電池是以N型半導(dǎo)體為基礎(chǔ)制成的N型硅片,N型硅片摻雜磷元素,磷與硅相溶性差,制備工藝相比P型硅片復(fù)雜得多,但是理論上N型電池光電轉(zhuǎn)換效率可以更高,應(yīng)用前景更好。


因此人們在努力提高和完善P型電池的同時(shí),也投入更多的精力探索N型電池技術(shù)的突破。


4組件環(huán)節(jié)


光伏組件是光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心。光伏組件是能單獨(dú)提供直流電輸出且最小不可分割的,具有封裝及內(nèi)部聯(lián)結(jié)的光伏電池組合裝置,也是面向下游終端的直接載體。

 

圖片來源:東方日升


從光伏組件的重要性來看,在硅片薄片化大趨勢下電池片變得更易碎,組件封裝可以有效避免電池碎裂,且更方便搬運(yùn)和戶外安裝,因此組件封裝質(zhì)量的好壞將直接決定光伏電池的使用壽命及可靠性。


據(jù)中國光伏行業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì),中國光伏組件產(chǎn)量已連續(xù)15年位居全球首位,多晶硅產(chǎn)量連續(xù)11年位居全球首位,新增裝機(jī)量連續(xù)9年位居全球首位,累計(jì)裝機(jī)量連續(xù)7年位居全球首位。


電池片是光伏組件的核心部件,從功能來看,電池片是通過將硅片加工處理得到的可以將太陽的光能轉(zhuǎn)化為電能的半導(dǎo)體薄片,決定了光伏系統(tǒng)的發(fā)電能力,原理是光生伏特效應(yīng)和 PN 結(jié)。從電池片材料來看,可將光伏組件分為晶硅組件和薄膜組件兩類。與薄膜組件相比,晶體硅組件在市場份額方面依然占有絕對的優(yōu)勢。根據(jù) CPIA 數(shù)據(jù),2021 年晶硅組件市場份額高達(dá)96.2%。


隨著光伏行業(yè)的發(fā)展,市場對高效率高功率組件的需求也在持續(xù)上升。半片+多主柵+大尺寸硅片的雙面組件技術(shù)或?qū)?huì)成為未來幾年最具競爭力的技術(shù)。


硅:改變世界未來的能源中心


目前,中國是全球最大的電力消耗國,我們80%的能源來自化石燃料。


 


據(jù)碳中和目標(biāo),到2060年,中國只有14%的能源來自煤炭、石油和天然氣,未來將有42%的能源來自太陽能和核能。全球正進(jìn)入一個(gè)以太陽能為主的新能源時(shí)期,中國將迎來一場巨大的能源變革。


我們將進(jìn)入由碳基能源向硅基能源轉(zhuǎn)變的新能源時(shí)代。改變能源結(jié)構(gòu),遠(yuǎn)離化石燃料,同時(shí)引入一種新的經(jīng)濟(jì)模式,是一項(xiàng)不小的任務(wù)。


相當(dāng)于在未來40年內(nèi),硅改變整個(gè)中國經(jīng)濟(jì),乃至改變世界未來的能源中心。


參考來源:協(xié)鑫科技官網(wǎng)、中國粉體網(wǎng)

【1】晶體硅光伏產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀及趨勢研究

【2】工業(yè)微報(bào).央視大型融媒體報(bào)道《智造中國》:河北從制造到智造推進(jìn)產(chǎn)業(yè)升級天津加快建設(shè)先進(jìn)制造研發(fā)基地

【3】況杰.太陽能光伏電池的新材料路線演進(jìn).

【4】光伏組件行業(yè)研究:大尺寸+N型+高功率為主旋律

(中國粉體網(wǎng)編輯整理/星耀)

注:圖片非商業(yè)用途,存在侵權(quán)請告知?jiǎng)h除!


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作者:星耀

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