光伏組件技術現狀及選型分析

蔡高原

（中國大唐集團科學技術研究院有限公司中南電力試驗研究院，河南 鄭州 450000）

0 引言

光伏組件即太陽電池組件，是光伏電站最重要的組成部件，其成本占光伏電站建設總成本的40%以上。光伏組件選型的好壞將直接關系到整個光伏電站的質量、發電量、使用壽命和收益率等。隨著光伏產業的快速發展，運用高效組件來降低度電成本已成為行業共識，新型高效光伏組件也不斷涌現，不同組件的轉換效率、衰減特性、溫度特性等有所差異［1-3］。

本研究對不同類型的光伏組件進行特性和技術指標分析，并結合案例對不同規格的光伏組件的系統經濟性進行對比評價，為光伏組件設備的選型提供技術參考［4-5］。

1 光伏組件分類

按照光伏組件制造材料的不同，可將光伏組件分為3類，如圖1所示。

圖1 光伏組件的分類

目前，已進行商業化應用的有單晶硅太陽電池、多晶硅太陽電池、非晶硅薄膜太陽電池、碲化鎘薄膜太陽電池、銅銦鎵硒薄膜太陽電池，以上光伏組件的電池片特性對比詳見表1。

表1 單晶硅、多晶硅和非晶硅薄膜光伏電池片對比

由表1 可知，在晶硅類電池中，單晶硅電池的光電轉換效率略高于多晶硅電池，兩種電池組件的電性能、壽命等相差不大，且價格也相當，在實際工程應用過程中，建議選用單晶硅電池。非晶硅薄膜太陽能電池的光電轉換效率相對較低，但由于其具有弱光效應好、溫度系數低等優勢，在建筑光伏一體化等場景中應用較為廣泛。

1.1 晶體硅光伏電池

我國晶體硅光伏電池的轉換效率逐年提升。目前，我國單晶硅光伏電池的轉換效率為16%～24.4%，多晶硅光伏電池轉換效率為15%～21%。主流的晶體硅光伏電池分為P 型-PERC、N 型-TOPCon、N 型-HJT（異質結），這些晶體硅光伏電池的主要特點對比詳見表2。

表2 單晶硅、多晶硅和非晶硅薄膜太陽電池對比

2021 年，規模化生產的P 型單晶電池均采用PERC 技術，平均轉換效率達到23.1%，較2020年提高0.3 個百分點。2021 年采用PERC 技術的多晶黑硅電池片轉換效率達到21.0%，較2020 年提高0.2個百分點。常規多晶黑硅電池效率的提升動力不強，2021 年轉換效率約19.5%，僅提高0.1 個百分點，未來提升空間有限。鑄錠單晶PERC 電池的平均轉換效率為22.4%，較單晶PERC電池低0.7 個百分點。

N 型TOPCon 電池的平均轉換效率達到24%，異質結電池的平均轉換效率達到24.2%，兩者較2020 年均有較大提升，IBC 電池的平均轉換效率達到24.1%。

盡管目前P 型電池仍占據光伏電池產業的主導地位，2021年P型電池的市場占有率達91.2%，但因P 型單晶硅PERC 電池的理論轉換效率極限為24.5%，導致P型PERC單晶電池的效率很難再有大幅度的提升，而N 型電池具有轉化效率高、光致衰減低、溫度系數低等優勢，有望成為下一代電池技術的主流。

1.2 非晶硅薄膜光伏電池

薄膜類太陽電池由沉積在玻璃、不銹鋼、塑料、陶瓷襯底或薄膜上的幾微米或幾十微米厚的半導體膜構成，轉換效率為15%～19.64%。薄膜電池存在效率相對較低、占地面積較大、部分生產原料對環境有一定影響、穩定性不佳等缺點。隨著技術的發展和市場的擴大，因其具有制造工藝相對簡單、成本低、不用高溫過程、在弱光條件下的性能好于晶硅類太陽電池、適用于建筑光伏一體化（BIPV）等突出優點，非晶硅薄膜電池也占據了一定的市場份額，其主要優點如下。①薄膜電池屬于直接間隙材料，對全光譜的吸收都比較好，在清晨、傍晚等弱光條件下的發光效率要明顯高于間接帶隙材料的晶硅電池，即薄膜電池的弱光效應好。②子電池單元間采用并聯的方式，即使其中一個子電池單元因受損而產生熱斑，也不影響其他子單元，有利于減少熱斑效應，在提高發電能力、保證產品使用壽命和使用安全方面有很大優勢。③薄膜電池適合高溫環境，其溫度系數在-0.21%/℃左右，而晶硅電池的溫度系數在-0.45%/℃左右。

薄膜類太陽電池中的碲化鎘、銅銦鎵硒電池因原材料含有劇毒或原材料的稀缺性，導致其對環境產生一定影響，其規模化生產受到限制，目前仍在進一步研究中。

1.3 組件技術規格

隨著光伏平價時代的到來，市場對光伏組件降本增效的需求也在不斷增加。其中，硅片尺寸增大作為提升組件功率的有效途徑，是近年來光伏行業較為關注的技術路線。

繼 2020 年的 166 mm × 166 mm 規格硅片后，2021 年又推出了基于更大尺寸硅片的組件產品。其中的182 組件結合系統端的實際情況上限，是綜合考慮組件的生產、安裝、運輸、系統配套各環節的實際情況確定的最佳尺寸。

根據目前市場供需情況，當前用于大型光伏電站的主流單晶硅光伏組件主要由166 mm、182 mm、210 mm 三種電池片型號進行組裝，主流光伏組件規格的分類詳見表3。

表3 光伏組件規格分類表

自2020 年下半年以來，便有大型央企、國企在組件集采中設置182 及以上采購標段。據不完全統計，2021年第一季度，中國電建、華電、大唐、中核等11家央企、國企啟動了超過20 GW的光伏組件招標，其中530 W 及以上高效組件占比高達76.01%。2021 年1—6 月，國內合計招標量為24 GW，在國內大中型企業定標項目中，高功率組件（182/210 mm電池片）的占比達83%。

2 光伏組件選型原則

光伏組件對不同區域的適用性與當地輻照資源的關系不大，而與當地的建設條件、氣候條件有一定關系。因此，要因地制宜進行光伏組件的選型。

2.1 大型光伏電站光伏組件選型

在大型光伏電站設計中，度電成本LCOE 是衡量項目的核心指標，光伏組件選型的核心邏輯必須圍繞LCOE，從而確保光伏電站在整個生命周期內提供成本最低的電力［6］，LCOE的計算公式見式（1）。

式中：I0為項目初始投資；VR為固定資產殘值；i為折現率；Yn為第n年的發電量；An為第n年的運營成本；Dn為第n年的折舊；Pn為第n年的利息。

以主流的210 mm 規格660 Wp（方案一）組件和182 mm 規格540 Wp（方案二）組件為例，進行系統配置，并對比分析其度電成本。

以內蒙古地區某項目為例，項目所在地的緯度為北緯39.270 6°，最高氣溫為40.2 ℃、最低氣溫為 -36.6 ℃、平均氣溫為9.6 ℃。組件搭配196 kW組串式逆變器，其度電成本對比詳見表4。

由表 4 可知，210 mm 規格 660 Wp 組件在支架、基礎、電纜等方面均比182 mm 規格540 Wp 組件有所節省，折算到20 a 的度電投資中，210 mm 規格660 Wp 組件比 182 mm 規格 540 Wp 組件具有更優的度電成本。

表4 項目經濟性對比

2.2 分布式光伏項目光伏組件選型

分布式光伏項目根據屋頂裝機規模可分為三類，即小型戶用、大型戶用及中小型工商業、大型工商業［7-8］。三種分布式光伏項目經濟性對比詳見表5。

由表5 可知，小型戶用分布式項目設計的核心理念是裝機容量越高，收益越大。大型戶用及中小型工商業項目介于小型戶用和大型工商業之間，可利用的面積適中、安裝條件略微寬松，高功率組件帶來的低成本開始逐漸體現，但其核心邏輯依然是利用有限的面積來提升裝機容量。大型工商業屋頂系統重點考慮高功率高效率組件帶來了成本的降低。

表5 分布式光伏項目經濟性對比

從表5 中的三類分布式光伏項目經濟性測算可以看出，因屋頂形式多樣，不同應用形式對應的組件選型邏輯也不盡相同，并無一款產品能夠同時在三類項目中達到最優，而相應的組件也并非尺寸越大就越好，要根據實際的屋頂情形因地制宜進行組件選型。

3 結論

①根據目前市場供需情況來看，當前用于大型光伏電站的主流單晶硅光伏組件由166 mm、182 mm、210 mm 三種電池片型號進行組裝，其產品規格為350～670 Wp。從區域特性來看，三類主流電池片型號均可適用于全國各個區域，不存在較大差異。但結合工程項目特性，在可靠性、適用場景和經濟性方面存在著細微差別。

②大型光伏電站光伏組件選型以度電成本最優為原則，而目前主流的210 mm 規格660 Wp 組件在支架、基礎、電纜等方面均比182 mm規格540 Wp組件有所節省。因此，大型光伏電站光伏組件應首選主流組件廠家的大尺寸大功率組件。

③在對分布式光伏項目光伏組件進行選型時，因屋頂形式、形狀多樣，不同的應用形式對組件選型的邏輯不盡相同，并無一款產品能同時在三類項目中達到最優，而相應的組件也并非尺寸越大越好，要根據實際屋頂情形因地制宜進行組件選型。