單晶硅電池技術與市場的博弈

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。相關數據顯示，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別在于當熔融的單質硅凝固時，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在物理性質方面，如在力學性質、電學性質等方面，多晶硅均不如單晶硅。目前的硅基電池主要性能參數見表1。可以看出，單晶硅電池無論是在實驗室轉換效率還是商業化轉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雜，其成本也較高。根據統計，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主要市場。但是，單晶硅的優點人們一直也沒有忘記，細數這幾年的單晶硅市場，無不充斥著技術與市場的博弈。特別是在最近光伏行業整體不景氣的背景下，單晶硅行業內的競爭以及與多晶硅市場的競爭更加激烈。

技術創新助長長期競爭力

2012年9月27日，國際知名光伏企業英利集團宣布，該集團生產的以“熊貓”命名的單晶硅高效太陽電池生產線平均轉換效率達19.5%，2012年末預計實驗室最高轉換效率達到21.0%。這是一種基于N型單晶電池技術開發的高效光伏組件。根據企業提供的信息，“熊貓”高效電池由英利綠色能源、歐洲領先的太陽能研究機構荷蘭能源研究中心(ECN)和全球領先的光伏電池生產設備和自動化系統供應商Amtech公司聯合研發。目前提供的產品有兩個系列，分別是PANDA 48 Cell系列和PANDA 60 Cell系列。其產品的量產也彌補了英利起初只有多晶光伏組件的不足。不僅如此，中國英利已經在其他晶硅電池關鍵技術研發上掌握了前沿技術，如大容量磁懸浮飛輪儲能技術、N型硅高效太陽電池生產技術、類單晶硅生長及缺陷控制關鍵技術研究、采用“新硅烷法”制備高純硅等四大國際領先技術。此外，英利“藏羚羊”類單晶電池量產平均效率可達18%，最高效率達到19%。

表1 硅基電池主要性能參數

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:采用默克和RENA先進技術制造的高效P型太陽電池研究成功。根據內部測試，這種單晶硅太陽電池效率達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，確保電池結構的高效性。這種技術的優點是使用isishape漿料確保刻蝕均勻可控性強，使電池效率提高0.5%。此外，清洗技術InClean是特別為默克的isishape設計的，確?！昂牟?、工藝和設備平臺間的完美匹配”。RENA的InClean是對現有生產線的升級，也可以與RENA的InOxSide工具相結合，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爭奪戰中落敗，而細數最近的單晶硅電池技術代表性事件，可以發現各個中國單晶硅廠商無不在技術研發中發力。目前國內從事單晶硅電池研發生產的企業不下10家，一線大廠如保利協鑫、昱輝陽光、晶澳、鳳凰光伏、英利集團、阿特斯太陽能等企業都推出了自己的新技術，表2列舉了一些代表性事件。

表2 中國2012年5～9月間單晶硅技術代表性事件

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

單晶硅新概念:準單晶

在單晶硅技術近兩年的發展過程中，有一個詞很抓眼球，即準單晶，或者叫類單晶。準單晶是指晶錠(可加工成能用于切片的方錠)的大部分結構是單晶結構(與之相反的是多晶結構)，因此準單晶本質上仍是多晶，但與普通的多晶又存在一定的區別。準單晶硅錠技術最早被BP Solar公司于2006年研制成功，當時稱為Mono2TM技術。BP Solar公司于2007年生產出準單晶太陽電池組件并進行了可靠性測試。ALD公司于2010年收購Mono2TM技術，并向市場推出基于 SCU400的準單晶鑄錠爐。至今，昱輝陽光、無錫尚德、晶澳、鳳凰光伏、保利協鑫、英利、新日光等公司先后推出準單晶硅片電池片或電池組件產品，不同廠家生產的準單晶硅電池及效率見表3。目前準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，因控制參數太多，工藝實現比較困難；后者是基于傳統多晶鑄錠工藝，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

準單晶與傳統的多晶和單晶相比，有部分明顯優勢，也是未來發展的趨勢之一。比如昱輝陽光的Virtus組件，光電轉換效率已經超過了18%，勝過傳統的多晶硅光伏電池16.5%的效率。雖然其屬于準單晶產品，但是光伏組件的轉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。其優點還在于傳統的單晶硅CZ直拉法生成了圓形硅錠，而昱輝陽光的準單晶技術是生成了方形鑄錠，使得光伏組件中的有效光電轉換面積達到最大，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的單晶硅電池低66%，這也提升了太陽能組件的實際輸出功率。目前Virtus組件已經在北美市場銷售并獲得了不錯的業績。

此外，尚德電力使用SuperPoly技術的新款STP305-24/Vd組件也很受青睞。該技術結合了單晶硅和多晶硅生產工藝的優點，降低了硅片的生產能耗和損耗，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界領先，電池板尺寸達到1956mm×992mm，這有利于降低安裝成本和總平準化發電成本。據稱，SuperPoly技術還降低了硅錠中氧雜質的含量，降低了光致衰退效應，提高了輸出功率的穩定性。尚德稱這一光伏產品可以降低電站的平準化發電成本(LCOE)，特別適合太規模商業太陽能項目。不過該技術也有一定的問題，主要表現在以下方面:準單晶硅錠成品率低，生產周期長。準單晶硅單錠生產周期70～80小時，而多晶硅為 50～60小時，目前準單晶技術的最大優勢是電池轉換效率較傳統多晶硅電池片高1%，但按目前成品率和生產周期水平看，準單晶技術成本優勢還不明顯。

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，如硼可提高其導電的程度，而形成P型硅半導體；如摻入微量的VA族元素，如磷或砷也可提高導電程度，形成N型硅半導體。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，導電能力越強，電阻率就越低；而摻硼為P型，摻硼越多則能置換硅產生的空穴也越多，導電能力越強，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型為主流產品。但根據實驗觀測，多晶P型產品轉換效率最高為17.4%，而單晶P型產品轉換效率最高為19%。但是單晶P型產品還有一個明顯的缺點，即在模組端有電力流失(Power Loss)相對大的問題，所以目前的P型產品已經越來越少。而N型單晶產品沒有電力流失的問題，且轉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的領域之一。目前中國大陸已經有4家N型單晶廠商強勢突圍，他們即是被稱為“N型四少”的天津環歐、西安隆基、上海卡姆丹特和浙江昱輝陽光。此外，中國臺灣地區的中美硅晶、友達M.Setek均已生產及供貨，進一步對P型單晶產品形成圍攻。

但是最近N型單晶產品也面臨規模調整，原因在于光伏產品行業的整體不景氣以及晶硅行業內部慘烈競爭，隨著多晶硅各種規模制造商產能的釋放和太陽能硅片價格的不斷下調，單晶硅產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。原來預見的N型單晶廠商威脅多晶硅片廠商的局面已經早已消失，單晶硅企業的生存壓力也在增加。根據最近的統計，國內最大單晶硅廠商隆基股份2012年上半年公司實現營業收入7.98億元，同比下降19.78%；營業利潤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N型單晶廠商上?？返ぬ卦?012年9月1日發布的半年報顯示，集團凈虧損為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，單晶行業洗牌開始加速。一線大廠憑借其在成本、技術、資金、管理等方面的綜合競爭優勢，借機擴大市場份額。

對于單晶硅行業來說，在當前行業背景下，技術的提升已經不僅僅是為了某個公司的存亡，而是一個行業的成長洗禮。我們可以預見到的是數百家光伏企業的生死存亡，以及中國光伏產業超過百萬工人對就業崗位的擔憂。當行業冬天來臨的時刻，單晶硅生產企業不僅在技術層面需要不斷提升，以降低成本和提高產品質量來適應市場的需求，同時還需要對管理系統進行不斷改進。有更多的企業在進行電池、組件、系統工程、應用產品的垂直整合；也有更多的企業開始進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。這場技術與市場的博弈對于單晶硅行業也是一次磨練內功的好時機，更多企業需要整合耗材和產品產業鏈，還需要對生產設備升級以及對生產工藝進行技術研發。中國光伏產業也需要在產品服務、技術模式和管理運營等方面走差異化的道路，應對本輪中國光伏工業的“大練兵”。