單晶硅電池技術(shù)與市場的博弈

阮曉東

在目前的太陽電池市場中，約85%是晶硅電池，還有約15%屬于薄膜電池。其中的晶硅電池市場又分單晶硅與多晶硅。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，單晶硅與多晶硅的市場份額占比分別在30%～40%和50%～60%之間。單晶硅和多晶硅的區(qū)別在于當(dāng)熔融的單質(zhì)硅凝固時，硅原子以金剛石晶格排列成許多晶核，如果這些晶核長成晶面取向相同的芯片，則形成單晶硅；如果這些晶核長成晶面取向不同的芯片，則形成多晶硅。多晶硅與單晶硅的差異主要表現(xiàn)在物理性質(zhì)方面，如在力學(xué)性質(zhì)、電學(xué)性質(zhì)等方面，多晶硅均不如單晶硅。目前的硅基電池主要性能參數(shù)見表1?？梢钥闯?，單晶硅電池?zé)o論是在實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)換效率還是商業(yè)化轉(zhuǎn)換效率都明顯高于多晶硅電池。但是由于單晶硅電池制造工藝復(fù)雜，其成本也較高。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，直拉單晶的工藝成本一般是160元/kg左右，多晶硅鑄錠工藝成本在60～65元/kg左右。所以目前光伏組件中還是以多晶硅電池占據(jù)主要市場。但是，單晶硅的優(yōu)點(diǎn)人們一直也沒有忘記，細(xì)數(shù)這幾年的單晶硅市場，無不充斥著技術(shù)與市場的博弈。特別是在最近光伏行業(yè)整體不景氣的背景下，單晶硅行業(yè)內(nèi)的競爭以及與多晶硅市場的競爭更加激烈。

技術(shù)創(chuàng)新助長長期競爭力

2012年9月27日，國際知名光伏企業(yè)英利集團(tuán)宣布，該集團(tuán)生產(chǎn)的以“熊貓”命名的單晶硅高效太陽電池生產(chǎn)線平均轉(zhuǎn)換效率達(dá)19.5%，2012年末預(yù)計(jì)實(shí)驗(yàn)室最高轉(zhuǎn)換效率達(dá)到21.0%。這是一種基于N型單晶電池技術(shù)開發(fā)的高效光伏組件。根據(jù)企業(yè)提供的信息，“熊貓”高效電池由英利綠色能源、歐洲領(lǐng)先的太陽能研究機(jī)構(gòu)荷蘭能源研究中心(ECN)和全球領(lǐng)先的光伏電池生產(chǎn)設(shè)備和自動化系統(tǒng)供應(yīng)商Amtech公司聯(lián)合研發(fā)。目前提供的產(chǎn)品有兩個系列，分別是PANDA 48 Cell系列和PANDA 60 Cell系列。其產(chǎn)品的量產(chǎn)也彌補(bǔ)了英利起初只有多晶光伏組件的不足。不僅如此，中國英利已經(jīng)在其他晶硅電池關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)上掌握了前沿技術(shù)，如大容量磁懸浮飛輪儲能技術(shù)、N型硅高效太陽電池生產(chǎn)技術(shù)、類單晶硅生長及缺陷控制關(guān)鍵技術(shù)研究、采用“新硅烷法”制備高純硅等四大國際領(lǐng)先技術(shù)。此外，英利“藏羚羊”類單晶電池量產(chǎn)平均效率可達(dá)18%，最高效率達(dá)到19%。

表1 硅基電池主要性能參數(shù)

而僅僅過了一天，阿特斯太陽能就宣布了另一種單晶硅高效技術(shù):采用默克和RENA先進(jìn)技術(shù)制造的高效P型太陽電池研究成功。根據(jù)內(nèi)部測試，這種單晶硅太陽電池效率達(dá)21.1%。阿特斯太陽能表示將在長期高效光伏解決方案中啟用新技術(shù)，確保電池結(jié)構(gòu)的高效性。這種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是使用isishape漿料確保刻蝕均勻可控性強(qiáng)，使電池效率提高0.5%。此外，清洗技術(shù)InClean是特別為默克的isishape設(shè)計(jì)的，確?！昂牟?、工藝和設(shè)備平臺間的完美匹配”。RENA的InClean是對現(xiàn)有生產(chǎn)線的升級，也可以與RENA的InOxSide工具相結(jié)合，用于隔離和去除磷硅玻璃(PSG)。不難看出，各大單晶硅廠商都唯恐在單晶硅的技術(shù)爭奪戰(zhàn)中落敗，而細(xì)數(shù)最近的單晶硅電池技術(shù)代表性事件，可以發(fā)現(xiàn)各個中國單晶硅廠商無不在技術(shù)研發(fā)中發(fā)力。目前國內(nèi)從事單晶硅電池研發(fā)生產(chǎn)的企業(yè)不下10家，一線大廠如保利協(xié)鑫、昱輝陽光、晶澳、鳳凰光伏、英利集團(tuán)、阿特斯太陽能等企業(yè)都推出了自己的新技術(shù)，表2列舉了一些代表性事件。

表2 中國2012年5～9月間單晶硅技術(shù)代表性事件

不僅是硅片生產(chǎn)廠家，單晶硅生長爐生產(chǎn)廠家也不斷推出新產(chǎn)品。京運(yùn)通和晶盛機(jī)電是我國最重要的單晶硅生長爐制造商。其中京運(yùn)通公司使用自主研發(fā)的試驗(yàn)樣機(jī)成功拉制出等徑1m多長、重量52kg的6英寸區(qū)熔單晶硅棒，這也是國內(nèi)首家使用國產(chǎn)區(qū)熔設(shè)備拉制的6英寸區(qū)熔單晶硅產(chǎn)品，打破了國外在此方面的技術(shù)壟斷。該技術(shù)的成熟也為公司的募投項(xiàng)目——硅晶材料產(chǎn)業(yè)園項(xiàng)目(一期)中年產(chǎn)30臺區(qū)熔單晶硅爐的順利進(jìn)行打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。而晶盛機(jī)電承擔(dān)研制的國家科技重大專項(xiàng)《極大規(guī)模集成電路制造設(shè)備及成套工藝》中“300mm硅單晶直拉生長裝備的開發(fā)”課題的TDR130A-ZJS全自動單晶硅生長爐產(chǎn)品也在2012年8月29日研制成功，并首次實(shí)現(xiàn)在國產(chǎn)單晶爐設(shè)備上成功生長18英寸半導(dǎo)體級硅單晶棒，等徑長度550mm。此單晶硅生長爐配置了32英寸熱場，投料量達(dá)290kg，創(chuàng)造了國內(nèi)單晶硅生長爐之最?？梢灶A(yù)見的是，新型單晶爐開始步入產(chǎn)業(yè)化階段，在形成產(chǎn)業(yè)化后將對公司業(yè)績以及整體單晶硅市場產(chǎn)生積極的影響。

單晶硅新概念:準(zhǔn)單晶

在單晶硅技術(shù)近兩年的發(fā)展過程中，有一個詞很抓眼球，即準(zhǔn)單晶，或者叫類單晶。準(zhǔn)單晶是指晶錠(可加工成能用于切片的方錠)的大部分結(jié)構(gòu)是單晶結(jié)構(gòu)(與之相反的是多晶結(jié)構(gòu))，因此準(zhǔn)單晶本質(zhì)上仍是多晶，但與普通的多晶又存在一定的區(qū)別。準(zhǔn)單晶硅錠技術(shù)最早被BP Solar公司于2006年研制成功，當(dāng)時稱為Mono2TM技術(shù)。BP Solar公司于2007年生產(chǎn)出準(zhǔn)單晶太陽電池組件并進(jìn)行了可靠性測試。ALD公司于2010年收購Mono2TM技術(shù)，并向市場推出基于 SCU400的準(zhǔn)單晶鑄錠爐。至今，昱輝陽光、無錫尚德、晶澳、鳳凰光伏、保利協(xié)鑫、英利、新日光等公司先后推出準(zhǔn)單晶硅片電池片或電池組件產(chǎn)品，不同廠家生產(chǎn)的準(zhǔn)單晶硅電池及效率見表3。目前準(zhǔn)單晶鑄錠制備工藝有兩種，一種是無籽晶鑄錠，另一種是有籽晶鑄錠。前者采用底部開槽的坩堝，通過控制槽的尺寸和冷卻速度來控制晶粒的大小，因控制參數(shù)太多，工藝實(shí)現(xiàn)比較困難；后者是基于傳統(tǒng)多晶鑄錠工藝，將籽晶、硅料和摻雜劑放入坩堝中（在坩堝底部鋪放籽晶），再加熱融化硅料，并保持籽晶部分熔化，確保晶錠從籽晶位置開始生長，從而獲得外觀和電性能均接近單晶硅錠的多晶硅錠。

表3 不同廠家的單晶硅電池及效率

準(zhǔn)單晶與傳統(tǒng)的多晶和單晶相比，有部分明顯優(yōu)勢，也是未來發(fā)展的趨勢之一。比如昱輝陽光的Virtus組件，光電轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)超過了18%，勝過傳統(tǒng)的多晶硅光伏電池16.5%的效率。雖然其屬于準(zhǔn)單晶產(chǎn)品，但是光伏組件的轉(zhuǎn)換效率接近單晶硅光伏組件，在每瓦價格上又非常接近多晶硅組件，因此性價比更高。其優(yōu)點(diǎn)還在于傳統(tǒng)的單晶硅CZ直拉法生成了圓形硅錠，而昱輝陽光的準(zhǔn)單晶技術(shù)是生成了方形鑄錠，使得光伏組件中的有效光電轉(zhuǎn)換面積達(dá)到最大，增大了整體的能量輸出。昱輝陽光Virtus電池的光致衰退比傳統(tǒng)的單晶硅電池低66%，這也提升了太陽能組件的實(shí)際輸出功率。目前Virtus組件已經(jīng)在北美市場銷售并獲得了不錯的業(yè)績。

此外，尚德電力使用SuperPoly技術(shù)的新款STP305-24/Vd組件也很受青睞。該技術(shù)結(jié)合了單晶硅和多晶硅生產(chǎn)工藝的優(yōu)點(diǎn)，降低了硅片的生產(chǎn)能耗和損耗，同時提高電池的性能。該光伏組件采用72片6英寸電池，電池的填充因子在業(yè)界領(lǐng)先，電池板尺寸達(dá)到1956mm×992mm，這有利于降低安裝成本和總平準(zhǔn)化發(fā)電成本。據(jù)稱，SuperPoly技術(shù)還降低了硅錠中氧雜質(zhì)的含量，降低了光致衰退效應(yīng)，提高了輸出功率的穩(wěn)定性。尚德稱這一光伏產(chǎn)品可以降低電站的平準(zhǔn)化發(fā)電成本(LCOE)，特別適合太規(guī)模商業(yè)太陽能項(xiàng)目。不過該技術(shù)也有一定的問題，主要表現(xiàn)在以下方面:準(zhǔn)單晶硅錠成品率低，生產(chǎn)周期長。準(zhǔn)單晶硅單錠生產(chǎn)周期70～80小時，而多晶硅為 50～60小時，目前準(zhǔn)單晶技術(shù)的最大優(yōu)勢是電池轉(zhuǎn)換效率較傳統(tǒng)多晶硅電池片高1%，但按目前成品率和生產(chǎn)周期水平看，準(zhǔn)單晶技術(shù)成本優(yōu)勢還不明顯。

N型與P型的較量

目前的單晶硅片主要分為N型與P型。在超純單晶硅中摻入微量的ⅢA 族元素，如硼可提高其導(dǎo)電的程度，而形成P型硅半導(dǎo)體；如摻入微量的VA族元素，如磷或砷也可提高導(dǎo)電程度，形成N型硅半導(dǎo)體。更簡單的說，單晶硅中摻磷是N型，摻磷越多則自由電子越多，導(dǎo)電能力越強(qiáng)，電阻率就越低；而摻硼為P型，摻硼越多則能置換硅產(chǎn)生的空穴也越多，導(dǎo)電能力越強(qiáng)，電阻率就越低。在2011年以前，無論是單晶硅還是多晶硅片，均以P型為主流產(chǎn)品。但根據(jù)實(shí)驗(yàn)觀測，多晶P型產(chǎn)品轉(zhuǎn)換效率最高為17.4%，而單晶P型產(chǎn)品轉(zhuǎn)換效率最高為19%。但是單晶P型產(chǎn)品還有一個明顯的缺點(diǎn)，即在模組端有電力流失(Power Loss)相對大的問題，所以目前的P型產(chǎn)品已經(jīng)越來越少。而N型單晶產(chǎn)品沒有電力流失的問題，且轉(zhuǎn)換效率一般可以突破20%以上，成為目前單晶硅廠商積極投入研究及研發(fā)的領(lǐng)域之一。目前中國大陸已經(jīng)有4家N型單晶廠商強(qiáng)勢突圍，他們即是被稱為“N型四少”的天津環(huán)歐、西安隆基、上?？返ぬ睾驼憬泡x陽光。此外，中國臺灣地區(qū)的中美硅晶、友達(dá)M.Setek均已生產(chǎn)及供貨，進(jìn)一步對P型單晶產(chǎn)品形成圍攻。

但是最近N型單晶產(chǎn)品也面臨規(guī)模調(diào)整，原因在于光伏產(chǎn)品行業(yè)的整體不景氣以及晶硅行業(yè)內(nèi)部慘烈競爭，隨著多晶硅各種規(guī)模制造商產(chǎn)能的釋放和太陽能硅片價格的不斷下調(diào)，單晶硅產(chǎn)品的生存空間受到了多晶硅廠商的擠壓，生存空間越來越小。原來預(yù)見的N型單晶廠商威脅多晶硅片廠商的局面已經(jīng)早已消失，單晶硅企業(yè)的生存壓力也在增加。根據(jù)最近的統(tǒng)計(jì)，國內(nèi)最大單晶硅廠商隆基股份2012年上半年公司實(shí)現(xiàn)營業(yè)收入7.98億元，同比下降19.78%；營業(yè)利潤1406.04萬元，同比下降94.54%；歸屬母公司所有者凈利潤3094.65萬元，同比下降86.19%。另一家企業(yè)N型單晶廠商上海卡姆丹特在2012年9月1日發(fā)布的半年報(bào)顯示，集團(tuán)凈虧損為1.21億元，每股虧損10.68分，去年同期則錄得純利1.02億元。在如此的競爭版圖下，目前單晶硅片/電池價格跌幅顯著大于多晶，單晶行業(yè)洗牌開始加速。一線大廠憑借其在成本、技術(shù)、資金、管理等方面的綜合競爭優(yōu)勢，借機(jī)擴(kuò)大市場份額。

對于單晶硅行業(yè)來說，在當(dāng)前行業(yè)背景下，技術(shù)的提升已經(jīng)不僅僅是為了某個公司的存亡，而是一個行業(yè)的成長洗禮。我們可以預(yù)見到的是數(shù)百家光伏企業(yè)的生死存亡，以及中國光伏產(chǎn)業(yè)超過百萬工人對就業(yè)崗位的擔(dān)憂。當(dāng)行業(yè)冬天來臨的時刻，單晶硅生產(chǎn)企業(yè)不僅在技術(shù)層面需要不斷提升，以降低成本和提高產(chǎn)品質(zhì)量來適應(yīng)市場的需求，同時還需要對管理系統(tǒng)進(jìn)行不斷改進(jìn)。有更多的企業(yè)在進(jìn)行電池、組件、系統(tǒng)工程、應(yīng)用產(chǎn)品的垂直整合；也有更多的企業(yè)開始進(jìn)軍除歐洲和美國以外的更廣闊的市場，如非洲、印度、南美洲和中東地區(qū)。這場技術(shù)與市場的博弈對于單晶硅行業(yè)也是一次磨練內(nèi)功的好時機(jī)，更多企業(yè)需要整合耗材和產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)鏈，還需要對生產(chǎn)設(shè)備升級以及對生產(chǎn)工藝進(jìn)行技術(shù)研發(fā)。中國光伏產(chǎn)業(yè)也需要在產(chǎn)品服務(wù)、技術(shù)模式和管理運(yùn)營等方面走差異化的道路，應(yīng)對本輪中國光伏工業(yè)的“大練兵”。