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鑄錠單晶、區(qū)熔單晶挑戰(zhàn)直拉單晶，誰是新世界的王者？
2月27日晚，協(xié)鑫集成宣布：鑄錠單晶電池平均效率已達(dá)21．85％，距離業(yè)內(nèi)平均P型直拉單晶PERC電池效率僅差0．3％，而成本則低10％，同時單臺爐子產(chǎn)能較單晶爐提升一倍。
在全行業(yè)都在向“平價上網(wǎng)”進(jìn)行最后沖刺的當(dāng)下，任何能夠降本增效的技術(shù)，都牽動著產(chǎn)業(yè)敏感的神經(jīng)，何況鑄錠單晶技術(shù)是從基礎(chǔ)材料上作出改變的“本質(zhì)”變化。
鑄錠單晶是利用單晶硅為籽晶，通過鑄錠爐生長的鑄造單晶，這項技術(shù)并不算是新工藝，也不是協(xié)鑫首創(chuàng)。在2010年前后引起了一段時間的熱潮，以鳳凰光伏為代表的一批企業(yè)開始大規(guī)模推廣鑄錠單晶技術(shù)，市場上又將其稱為“類單晶”技術(shù)。
但在當(dāng)時，單晶本身市場份額就很小，同時組件價格也遠(yuǎn)較現(xiàn)在高，因此類單晶技術(shù)帶來的成本下降和相比多晶帶來的效率提升并沒有引起行業(yè)特別重視，同時鑄錠單晶在當(dāng)時不夠成熟，高效分布也就是可以用作單晶的比率較低，不超過30％，整錠能用的硅片不多。
而當(dāng)時又沒有黑硅技術(shù)，單晶多晶設(shè)備不同，對于同時具有單多晶特征的中間層，沒有辦法處理。
爾后，2011年光伏產(chǎn)業(yè)“寒冬”隨即而來，許多企業(yè)在生存壓力下也沒辦法繼續(xù)研發(fā)，鑄錠單晶技術(shù)進(jìn)展因而停滯。
隨著中國政府制定了光伏發(fā)展政策，市場回暖，協(xié)鑫、晶科、旭陽雷迪等企業(yè)又在持續(xù)推動這項降本技術(shù)的發(fā)展。賽維LDK、阿特斯、榮德、環(huán)太完成了前期的技術(shù)儲備。不完全統(tǒng)計，至少20家鑄錠廠家已經(jīng)或準(zhǔn)備開啟鑄造單晶的生產(chǎn)，技術(shù)交流活躍。中國科學(xué)院院士、硅材料國家重點實驗室主任楊德仁在《鑄造單晶硅材料的生長和缺陷控制》報告中指出，鑄錠單晶將在今后的一兩年開始大規(guī)模應(yīng)用，成為對市場有重大影響的差異化產(chǎn)品。
根據(jù)協(xié)鑫集成公布的最新進(jìn)展，鑄錠單晶拖尾、EL、光衰以及三類片的分布等問題已經(jīng)逐步解決，尾部低效的分布大量減少，高效分布比例可達(dá)70％以上。成功的關(guān)鍵在于采用了新的籽晶鋪設(shè)方式以及獨創(chuàng)的鋪設(shè)晶向。近期楊德仁院士在報告中對技術(shù)進(jìn)步給予了肯定。
三分天下
近年來直拉單晶增長迅猛，從2016年19％增長至2018年的46％，根據(jù)分析機構(gòu)PV Infolink預(yù)測，到2023年，單晶組件市場份額將達(dá)到71％，占三分之二強。而從鑄錠單晶的發(fā)展趨勢來看，單晶系所占的比例可能會更加“激進(jìn)”，除保留多晶黑硅和薄膜一部分市場之外，更多開展進(jìn)一步細(xì)分技術(shù)領(lǐng)域的PK。
除鑄錠單晶向直拉單晶發(fā)起挑戰(zhàn)外，光伏產(chǎn)業(yè)越來越激烈的高效電池軍備競賽也對硅片材料提出了新要求。能做到更高效率和減少衰減的區(qū)熔單晶也會在未來加入“戰(zhàn)團”，夾擊直拉單晶。
在一段時間內(nèi)，技術(shù)路線之爭從來都是只有一位王者勝出，其它路線或許存在，但卻要忍受失敗者去瓜分二八定律中的“二”，占據(jù)小部分利潤。
相比常規(guī)單晶技術(shù)，結(jié)合協(xié)鑫公布的鑫單晶數(shù)據(jù)，鑄錠單晶有幾個優(yōu)勢：
01
成本優(yōu)勢根據(jù)協(xié)鑫集成發(fā)布的一份報告，鑫單晶比直拉單晶成本每片降低0．4元。但應(yīng)該指出的是，隨著電池效率上升、組件價格下降在電站投資中占比減少、配套高效技術(shù)疊加效應(yīng)等綜合因素，因此在業(yè)主選擇組件時應(yīng)該綜合考慮整體BOS成本和最終的LCOE成本，所以除此之外，接下來還要再分析鑄錠單晶組件的實際發(fā)電能力相對直拉單晶如何。以常規(guī)多晶組件為例，生產(chǎn)工藝較單晶更為復(fù)雜，除了原材料能降低成本之外，其它環(huán)節(jié)都或持平或略高于直拉單晶組件，因此轉(zhuǎn)向黑硅做高效已經(jīng)成了唯一出路。
02
鑄錠單晶組件采光面積更大，相比直拉單晶電池片八角結(jié)構(gòu)，正方形的鑄錠單晶可以充分利用組件表面積，以158．75mm的硅片尺寸為例，比211圓棒，帶倒角的158．75單晶硅片增加0．8％的受光面積，比156mm硅片大2％。
03
但直拉單晶還面臨著衰減的問題，目前業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的單晶企業(yè)宣布單晶PERC電池可以通過鍍嫁等工藝控制首年衰減小于2％。而鑄錠單晶則因其工藝，衰減和多晶相似，含氧量比單晶低40％左右，比直拉單晶低0．5％以上。這里是根據(jù)協(xié)鑫公布的數(shù)據(jù)做的測算，據(jù)協(xié)鑫公司，公司正在做實證基地進(jìn)行比較，未來有數(shù)據(jù)積累時將定期放出對比數(shù)據(jù)。
成本計算
誰能打開平價新世界的大門？
鑄錠單晶的成熟，也給了市場一個最簡單的計算成本的方法，不同于以往單多晶功率差距較大，這次在幾乎同一個起跑線上，我們來計算下我們可以計算下鑄錠單晶和直拉單晶在度電成本方面的表現(xiàn)：
首先計算直拉單晶／鑄錠單晶同樣面積效率比：
21．85／22．15≈1．01373
電池效率比乘以組件面積比：
101．373％＊（1－0．08）＝100．56％
如果是按156硅片計算：
101．373％＊（1－0．2）＝99．34554％
可以看出，到這里，二者單塊組件發(fā)電能力已經(jīng)差不多了，甚至沒有采用大硅片的直拉單晶組件發(fā)電能力略低于鑄錠單晶。
再加上算上首年衰減（直拉單晶2％，鑄錠單晶1．5％）：
直拉單晶：100．56％＊（1－2％）＝98．05％
156mm直拉單晶：99．34554％＊（1－2％）＝97．35％
鑄錠單晶：98．5％
所以，可以看出，同樣158．75mm的72片的單塊鑄錠單晶組件和直拉單晶組件相比，功率高約2W，實際發(fā)電能力低約0．5％；156直拉單晶功率低約2．6W，實際發(fā)電能力低1．1％。
我們來計算下成本，目前鑄錠單晶硅片價格比直拉單晶硅片低0．4元，一塊組件72片低28．8元，以400W計算，每瓦成本下降7．2分錢。
與此同時，由于鑄錠單晶實際功率數(shù)據(jù)高0．5％，因此業(yè)主可以節(jié)約相應(yīng)的組件成本，以100MW的電站，組件2元／W計算，可以節(jié)約100萬元，相當(dāng)于又給電站BOS成本節(jié)約了1分錢／W。同時在施工方面，節(jié)約相應(yīng)的土地、人工，除組件外的非技術(shù)成本也相應(yīng)降低，可以進(jìn)一步降低成本。
更為重要的是，2019年是光伏全面競價上網(wǎng)的元年，業(yè)內(nèi)揣測最終中標(biāo)補貼價格將在6分錢／度左右，而如果原本計劃做平價的項目參與競爭，局面可能更加慘烈。那么鑄錠單晶以同樣甚至更高的發(fā)電能力，8－9分錢／W的BOS成本下降，將成為項目是否能夠競價成功的決定性因素。
領(lǐng)跑者的推動成就了效率更高的直拉單晶急速發(fā)展，但在全面競價時代，或許鑄錠單晶將成為未來數(shù)年中的王者。
渾水、清水、超純水
鑄錠在左，區(qū)熔在右
一位有多年研發(fā)經(jīng)驗的前尚德科研人員告訴筆者：“簡而言之，單晶像清水，更容易變渾濁，而多晶本來就是渾水，所以雖然初始效率較低，但受外界影響較小。”
當(dāng)鑄錠單晶將“渾水”變清后，清水的壓力隨之而來。業(yè)內(nèi)也在致力于解決單晶組件“清水”容易變渾的問題，一個重要方向就是“超純水”——區(qū)熔單晶。
區(qū)熔法又稱Fz法，即懸浮區(qū)熔法。利用熱能在半導(dǎo)體棒料的一端產(chǎn)生一熔區(qū)，再熔接單晶籽晶。區(qū)熔法是極高純硅單晶生產(chǎn)的首選技術(shù)，由于不用坩堝，避免了來自坩堝的污染，而且還可以利用懸浮區(qū)熔進(jìn)行多次提純，所以單晶的純度高，同時Fz單晶的氧含量比直拉硅單晶（見半導(dǎo)體硅材料）的氧含量低2～3個數(shù)量級，很好解決光衰問題。
但區(qū)熔單晶的工藝比直拉單晶困難得多，目前國內(nèi)走在最前面的是中環(huán)股份。目前中環(huán)股份區(qū)熔硅單晶拋光片產(chǎn)量全球第三，國內(nèi)第一。對于現(xiàn)有直拉單晶大廠來說，轉(zhuǎn)向區(qū)熔法涉及設(shè)備全面改造，因此目前處理單晶的衰減多以摻鎵替代摻硼為主，避免硼氧復(fù)合的出現(xiàn)。
隨著組件效率和價格的變化，以及領(lǐng)跑者項目推動，讓直拉單晶的性價比在2015年達(dá)到閾值，開始進(jìn)入快速增長期，而未來隨著材料成本在整個系統(tǒng)中占比進(jìn)一步降低，或許在不遠(yuǎn)的一段時間內(nèi)，隨著以直拉單晶為基礎(chǔ)的光伏電池為提升性能而增加成本和區(qū)熔法成本的進(jìn)一步下降，區(qū)熔法的“閾值”也將來臨，屆時同鑄錠單晶一起瓜分大部分單晶市場。
但一個不確定因素還在超薄硅片環(huán)節(jié)，以前多晶組件成本受限的重要原因之一在于單晶硅片可以切得更薄，達(dá)到90－110μm，而多晶硅片在這方面則因為材料本身的限制難以做到這一點。新的鑄錠單晶在未來超薄大戰(zhàn)中表現(xiàn)如何，還需要協(xié)鑫等領(lǐng)軍企業(yè)進(jìn)一步發(fā)布數(shù)據(jù)報告。
江湖代有才人出，各領(lǐng)風(fēng)騷數(shù)百年。但光伏這樣一個發(fā)展飛速的產(chǎn)業(yè)，每兩三年就會發(fā)生大的變化，直拉單晶或許在一兩年之后，就要面臨急速的轉(zhuǎn)型挑戰(zhàn)。
2月27日晚，協(xié)鑫集成宣布：鑄錠單晶電池平均效率已達(dá)21．85％，距離業(yè)內(nèi)平均P型直拉單晶PERC電池效率僅差0．3％，而成本則低10％，同時單臺爐子產(chǎn)能較單晶爐提升一倍。
在全行業(yè)都在向“平價上網(wǎng)”進(jìn)行最后沖刺的當(dāng)下，任何能夠降本增效的技術(shù)，都牽動著產(chǎn)業(yè)敏感的神經(jīng)，何況鑄錠單晶技術(shù)是從基礎(chǔ)材料上作出改變的“本質(zhì)”變化。
鑄錠單晶是利用單晶硅為籽晶，通過鑄錠爐生長的鑄造單晶，這項技術(shù)并不算是新工藝，也不是協(xié)鑫首創(chuàng)。在2010年前后引起了一段時間的熱潮，以鳳凰光伏為代表的一批企業(yè)開始大規(guī)模推廣鑄錠單晶技術(shù)，市場上又將其稱為“類單晶”技術(shù)。
但在當(dāng)時，單晶本身市場份額就很小，同時組件價格也遠(yuǎn)較現(xiàn)在高，因此類單晶技術(shù)帶來的成本下降和相比多晶帶來的效率提升并沒有引起行業(yè)特別重視，同時鑄錠單晶在當(dāng)時不夠成熟，高效分布也就是可以用作單晶的比率較低，不超過30％，整錠能用的硅片不多。
而當(dāng)時又沒有黑硅技術(shù)，單晶多晶設(shè)備不同，對于同時具有單多晶特征的中間層，沒有辦法處理。
爾后，2011年光伏產(chǎn)業(yè)“寒冬”隨即而來，許多企業(yè)在生存壓力下也沒辦法繼續(xù)研發(fā)，鑄錠單晶技術(shù)進(jìn)展因而停滯。
隨著中國政府制定了光伏發(fā)展政策，市場回暖，協(xié)鑫、晶科、旭陽雷迪等企業(yè)又在持續(xù)推動這項降本技術(shù)的發(fā)展。賽維LDK、阿特斯、榮德、環(huán)太完成了前期的技術(shù)儲備。不完全統(tǒng)計，至少20家鑄錠廠家已經(jīng)或準(zhǔn)備開啟鑄造單晶的生產(chǎn)，技術(shù)交流活躍。中國科學(xué)院院士、硅材料國家重點實驗室主任楊德仁在《鑄造單晶硅材料的生長和缺陷控制》報告中指出，鑄錠單晶將在今后的一兩年開始大規(guī)模應(yīng)用，成為對市場有重大影響的差異化產(chǎn)品。
根據(jù)協(xié)鑫集成公布的最新進(jìn)展，鑄錠單晶拖尾、EL、光衰以及三類片的分布等問題已經(jīng)逐步解決，尾部低效的分布大量減少，高效分布比例可達(dá)70％以上。成功的關(guān)鍵在于采用了新的籽晶鋪設(shè)方式以及獨創(chuàng)的鋪設(shè)晶向。近期楊德仁院士在報告中對技術(shù)進(jìn)步給予了肯定。
三分天下
近年來直拉單晶增長迅猛，從2016年19％增長至2018年的46％，根據(jù)分析機構(gòu)PV Infolink預(yù)測，到2023年，單晶組件市場份額將達(dá)到71％，占三分之二強。而從鑄錠單晶的發(fā)展趨勢來看，單晶系所占的比例可能會更加“激進(jìn)”，除保留多晶黑硅和薄膜一部分市場之外，更多開展進(jìn)一步細(xì)分技術(shù)領(lǐng)域的PK。
除鑄錠單晶向直拉單晶發(fā)起挑戰(zhàn)外，光伏產(chǎn)業(yè)越來越激烈的高效電池軍備競賽也對硅片材料提出了新要求。能做到更高效率和減少衰減的區(qū)熔單晶也會在未來加入“戰(zhàn)團”，夾擊直拉單晶。
在一段時間內(nèi)，技術(shù)路線之爭從來都是只有一位王者勝出，其它路線或許存在，但卻要忍受失敗者去瓜分二八定律中的“二”，占據(jù)小部分利潤。
相比常規(guī)單晶技術(shù)，結(jié)合協(xié)鑫公布的鑫單晶數(shù)據(jù)，鑄錠單晶有幾個優(yōu)勢：
01
成本優(yōu)勢根據(jù)協(xié)鑫集成發(fā)布的一份報告，鑫單晶比直拉單晶成本每片降低0．4元。但應(yīng)該指出的是，隨著電池效率上升、組件價格下降在電站投資中占比減少、配套高效技術(shù)疊加效應(yīng)等綜合因素，因此在業(yè)主選擇組件時應(yīng)該綜合考慮整體BOS成本和最終的LCOE成本，所以除此之外，接下來還要再分析鑄錠單晶組件的實際發(fā)電能力相對直拉單晶如何。以常規(guī)多晶組件為例，生產(chǎn)工藝較單晶更為復(fù)雜，除了原材料能降低成本之外，其它環(huán)節(jié)都或持平或略高于直拉單晶組件，因此轉(zhuǎn)向黑硅做高效已經(jīng)成了唯一出路。
02
鑄錠單晶組件采光面積更大，相比直拉單晶電池片八角結(jié)構(gòu)，正方形的鑄錠單晶可以充分利用組件表面積，以158．75mm的硅片尺寸為例，比211圓棒，帶倒角的158．75單晶硅片增加0．8％的受光面積，比156mm硅片大2％。
03
但直拉單晶還面臨著衰減的問題，目前業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的單晶企業(yè)宣布單晶PERC電池可以通過鍍嫁等工藝控制首年衰減小于2％。而鑄錠單晶則因其工藝，衰減和多晶相似，含氧量比單晶低40％左右，比直拉單晶低0．5％以上。這里是根據(jù)協(xié)鑫公布的數(shù)據(jù)做的測算，據(jù)協(xié)鑫公司，公司正在做實證基地進(jìn)行比較，未來有數(shù)據(jù)積累時將定期放出對比數(shù)據(jù)。
成本計算
誰能打開平價新世界的大門？
鑄錠單晶的成熟，也給了市場一個最簡單的計算成本的方法，不同于以往單多晶功率差距較大，這次在幾乎同一個起跑線上，我們來計算下我們可以計算下鑄錠單晶和直拉單晶在度電成本方面的表現(xiàn)：
首先計算直拉單晶／鑄錠單晶同樣面積效率比：
21．85／22．15≈1．01373
電池效率比乘以組件面積比：
101．373％＊（1－0．08）＝100．56％
如果是按156硅片計算：
101．373％＊（1－0．2）＝99．34554％
可以看出，到這里，二者單塊組件發(fā)電能力已經(jīng)差不多了，甚至沒有采用大硅片的直拉單晶組件發(fā)電能力略低于鑄錠單晶。
再加上算上首年衰減（直拉單晶2％，鑄錠單晶1．5％）：
直拉單晶：100．56％＊（1－2％）＝98．05％
156mm直拉單晶：99．34554％＊（1－2％）＝97．35％
鑄錠單晶：98．5％
所以，可以看出，同樣158．75mm的72片的單塊鑄錠單晶組件和直拉單晶組件相比，功率高約2W，實際發(fā)電能力低約0．5％；156直拉單晶功率低約2．6W，實際發(fā)電能力低1．1％。
我們來計算下成本，目前鑄錠單晶硅片價格比直拉單晶硅片低0．4元，一塊組件72片低28．8元，以400W計算，每瓦成本下降7．2分錢。
與此同時，由于鑄錠單晶實際功率數(shù)據(jù)高0．5％，因此業(yè)主可以節(jié)約相應(yīng)的組件成本，以100MW的電站，組件2元／W計算，可以節(jié)約100萬元，相當(dāng)于又給電站BOS成本節(jié)約了1分錢／W。同時在施工方面，節(jié)約相應(yīng)的土地、人工，除組件外的非技術(shù)成本也相應(yīng)降低，可以進(jìn)一步降低成本。
更為重要的是，2019年是光伏全面競價上網(wǎng)的元年，業(yè)內(nèi)揣測最終中標(biāo)補貼價格將在6分錢／度左右，而如果原本計劃做平價的項目參與競爭，局面可能更加慘烈。那么鑄錠單晶以同樣甚至更高的發(fā)電能力，8－9分錢／W的BOS成本下降，將成為項目是否能夠競價成功的決定性因素。
領(lǐng)跑者的推動成就了效率更高的直拉單晶急速發(fā)展，但在全面競價時代，或許鑄錠單晶將成為未來數(shù)年中的王者。
渾水、清水、超純水
鑄錠在左，區(qū)熔在右
一位有多年研發(fā)經(jīng)驗的前尚德科研人員告訴筆者：“簡而言之，單晶像清水，更容易變渾濁，而多晶本來就是渾水，所以雖然初始效率較低，但受外界影響較小。”
當(dāng)鑄錠單晶將“渾水”變清后，清水的壓力隨之而來。業(yè)內(nèi)也在致力于解決單晶組件“清水”容易變渾的問題，一個重要方向就是“超純水”——區(qū)熔單晶。
區(qū)熔法又稱Fz法，即懸浮區(qū)熔法。利用熱能在半導(dǎo)體棒料的一端產(chǎn)生一熔區(qū)，再熔接單晶籽晶。區(qū)熔法是極高純硅單晶生產(chǎn)的首選技術(shù)，由于不用坩堝，避免了來自坩堝的污染，而且還可以利用懸浮區(qū)熔進(jìn)行多次提純，所以單晶的純度高，同時Fz單晶的氧含量比直拉硅單晶（見半導(dǎo)體硅材料）的氧含量低2～3個數(shù)量級，很好解決光衰問題。
但區(qū)熔單晶的工藝比直拉單晶困難得多，目前國內(nèi)走在最前面的是中環(huán)股份。目前中環(huán)股份區(qū)熔硅單晶拋光片產(chǎn)量全球第三，國內(nèi)第一。對于現(xiàn)有直拉單晶大廠來說，轉(zhuǎn)向區(qū)熔法涉及設(shè)備全面改造，因此目前處理單晶的衰減多以摻鎵替代摻硼為主，避免硼氧復(fù)合的出現(xiàn)。
隨著組件效率和價格的變化，以及領(lǐng)跑者項目推動，讓直拉單晶的性價比在2015年達(dá)到閾值，開始進(jìn)入快速增長期，而未來隨著材料成本在整個系統(tǒng)中占比進(jìn)一步降低，或許在不遠(yuǎn)的一段時間內(nèi)，隨著以直拉單晶為基礎(chǔ)的光伏電池為提升性能而增加成本和區(qū)熔法成本的進(jìn)一步下降，區(qū)熔法的“閾值”也將來臨，屆時同鑄錠單晶一起瓜分大部分單晶市場。
但一個不確定因素還在超薄硅片環(huán)節(jié)，以前多晶組件成本受限的重要原因之一在于單晶硅片可以切得更薄，達(dá)到90－110μm，而多晶硅片在這方面則因為材料本身的限制難以做到這一點。新的鑄錠單晶在未來超薄大戰(zhàn)中表現(xiàn)如何，還需要協(xié)鑫等領(lǐng)軍企業(yè)進(jìn)一步發(fā)布數(shù)據(jù)報告。
江湖代有才人出，各領(lǐng)風(fēng)騷數(shù)百年。但光伏這樣一個發(fā)展飛速的產(chǎn)業(yè)，每兩三年就會發(fā)生大的變化，直拉單晶或許在一兩年之后，就要面臨急速的轉(zhuǎn)型挑戰(zhàn)。
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