楊興杰
一、光伏發(fā)電的基本原理
光生伏特效應(yīng)（即“光伏效應(yīng)”）是指當(dāng)物體受到光照時(shí)，因光能被吸收，電子發(fā)生躍遷，物體內(nèi)的電荷分布狀態(tài)發(fā)生變化而產(chǎn)生電動(dòng)勢和電流的一種效應(yīng)。
根據(jù)半導(dǎo)體的特性，半導(dǎo)體中有電子和空穴兩種電流載體（指可以自由移動(dòng)的帶有電荷的物質(zhì)微粒，簡稱“載流子”），其中電子帶負(fù)電、空穴帶正電，半導(dǎo)體材料中某種載流子占大多數(shù)，則稱它為多子，占小部分的即為少子。硅片最基本的材料是“硅”，純凈的硅不導(dǎo)電，但可以通過在硅中摻雜來改變特性：在硅晶體中摻入硼元素，即可做成P型硅片；摻入磷元素，即可做成N型硅片。因硼元素和磷元素價(jià)位特點(diǎn)不同，P型硅片中空穴作為多子主要參與導(dǎo)電，電子是少數(shù)載流子（少子）；N型硅片中電子作為多子主要參與導(dǎo)電，空穴是少子，上述P（Positive，正電）和N（Negative，負(fù)電）即根據(jù)硅片多子的正負(fù)電情況進(jìn)行的命名。PN結(jié)（結(jié)是指交叉，譯自英文“PNjunction”）是光伏電池片的基本結(jié)構(gòu)單元，其通常形成于同一塊硅片中P型區(qū)域和N型區(qū)域的交界處，可以通過向P型硅片表面擴(kuò)散磷元素或者向N型硅片表面擴(kuò)散硼元素制得。光伏電池片發(fā)電即是利用PN結(jié)位置產(chǎn)生的自由電子的電位差來產(chǎn)生電流，當(dāng)太陽光照射在電池片表面時(shí)，電子吸收能量變?yōu)橐苿?dòng)的自由電子，同時(shí)在原來的位置形成空穴，自由電子受到內(nèi)電場的作用會(huì)向N區(qū)移動(dòng)，同時(shí)對應(yīng)空穴向P區(qū)移動(dòng)，當(dāng)連接電池正負(fù)極形成閉合回路時(shí)，自由電子受到內(nèi)電場的力從N區(qū)經(jīng)過導(dǎo)線向P區(qū)移動(dòng)，在外電路產(chǎn)生電流。
圖表：光伏電池片內(nèi)部結(jié)構(gòu)及發(fā)電原理的簡要示意圖
二、影響光伏發(fā)電效率的核心要素
光伏發(fā)電的本質(zhì)是將光能轉(zhuǎn)化為電能，因此減少光學(xué)損失和電學(xué)損失是提升光伏電池片轉(zhuǎn)換效率的兩個(gè)關(guān)鍵方向。
光學(xué)損失產(chǎn)生的主要原因是材料表面的反射及遮擋損失，包括電池片前表面和背表面的反射以及組件玻璃的反射、電池柵線的遮擋等。目前減少光學(xué)損失的主要方法包括：①利用化學(xué)方法對硅片表面進(jìn)行腐蝕，形成絨面，增加陷光作用；②制備減反膜降低反射率，例如玻璃減反膜、電池表面的氮化硅減反膜；③優(yōu)化電池柵線，減少柵線遮擋損失，例如使用多主柵及新型高效的XBC電池技術(shù)。目前，制絨、減反膜、多主柵等技術(shù)目前應(yīng)用已較為廣泛，發(fā)展較為成熟，XBC電池技術(shù)正在進(jìn)入快速發(fā)展階段，XBC電池的PN結(jié)和金屬接觸都處于電池的背面，正面沒有金屬電極遮擋的影響，同時(shí)背面可以容許較寬的金屬柵線來降低串聯(lián)電阻從而提高填充因子。
電學(xué)損失產(chǎn)生的主要原因是光伏電池片體內(nèi)及表面電子和空穴的復(fù)合，復(fù)合率越低，光電轉(zhuǎn)換效率就越高。電池片表面的表面態(tài)（懸掛鍵、雜質(zhì)、晶格失配和損傷層等）以及電池片內(nèi)部存在的雜質(zhì)，它們都會(huì)成為載流子的復(fù)合中心。對于解決材料本身的內(nèi)部缺陷及雜質(zhì)等引起的問題，單晶硅要優(yōu)于多晶硅，N型電池要優(yōu)于P型電池；對于電池表面的復(fù)合中心，通過改變光伏電池的結(jié)構(gòu)，如引入鈍化膜（主要為Al2O3、SiNx）、隧穿氧化及摻雜多晶硅層等方式，可以有效延長電池片內(nèi)部少子壽命，減少復(fù)合導(dǎo)致的電學(xué)損失。隨著單晶硅片已基本取代多晶硅片以及以Al2O3、SiNx為代表的鈍化膜技術(shù)在此前的PERC技術(shù)也已經(jīng)得到普遍應(yīng)用，在材料方面引入N型硅片襯底及電池片結(jié)構(gòu)方面進(jìn)一步加強(qiáng)鈍化效果（如引入隧穿氧化及摻雜多晶硅層）是目前進(jìn)一步降低電學(xué)損失的成熟有效方式，應(yīng)用該等改善材料和進(jìn)行結(jié)構(gòu)改變的包括了TOPCon、XBC及HJT等新型高效光伏電池片技術(shù)。
三、光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)鏈情況
在全球低碳的產(chǎn)業(yè)政策引導(dǎo)和市場需求的雙輪驅(qū)動(dòng)下，中國光伏產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)了快速發(fā)展，已經(jīng)成為中國可參與國際競爭并取得領(lǐng)先優(yōu)勢的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，也是中國產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一張嶄新名片和推動(dòng)我國能源變革的重要引擎。當(dāng)前中國已經(jīng)形成了從工業(yè)硅、高純硅材料、硅錠/硅棒/硅片、電池片、組件、逆變器、光伏輔材輔料、光伏生產(chǎn)設(shè)備到系統(tǒng)集成和光伏產(chǎn)品應(yīng)用等全球最完整的產(chǎn)業(yè)鏈，并且在各主要環(huán)節(jié)均形成了一批世界級的領(lǐng)先企業(yè)。中國光伏產(chǎn)業(yè)鏈具備顯著的技術(shù)水平高、效率高、成本低和上下游配套健全等優(yōu)勢，中國光伏供應(yīng)鏈對全球光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要的影響力，中國光伏企業(yè)持續(xù)領(lǐng)導(dǎo)全球產(chǎn)業(yè)供應(yīng)格局。
圖表：光伏產(chǎn)業(yè)的具體產(chǎn)業(yè)鏈及對應(yīng)的設(shè)備需求情況
四、光伏電池片行業(yè)發(fā)展階段
降本增效是推動(dòng)光伏行業(yè)不斷發(fā)展的內(nèi)在牽引動(dòng)力，隨著光伏各個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的日趨成熟，光伏電池片作為光電轉(zhuǎn)換效率的決定性影響因素，是現(xiàn)階段光伏產(chǎn)業(yè)鏈最核心的技術(shù)變革領(lǐng)域。光伏電池片技術(shù)的技術(shù)迭代與光伏設(shè)備的技術(shù)演進(jìn)以及應(yīng)用相互推動(dòng)和成就，共同推動(dòng)光伏電池片生產(chǎn)的降本增效。
從光伏電池片的技術(shù)發(fā)展和迭代來看，整體可分為四個(gè)階段：
第一個(gè)階段是2015年以前，光伏電池片市場主要采取多晶Al-BSF技術(shù)，單晶PERC電池片處于技術(shù)驗(yàn)證階段，以試驗(yàn)產(chǎn)能為主，增長迅速但總量較小，隨著單晶PERC電池片技術(shù)逐漸成熟，其商業(yè)化的可行性得到確認(rèn)；
第二階段是2015-2017年，單晶PERC電池片投資吸引力凸顯，國內(nèi)廠商開始加碼PERC電池片生產(chǎn)，但從整個(gè)光伏電池片市場發(fā)展過程來看，多晶Al-BSF技術(shù)此階段仍占據(jù)著市場主要份額；
第三階段是2018-2021年，PERC電池片產(chǎn)能實(shí)現(xiàn)爆發(fā)式增長，根據(jù)中國光伏行業(yè)協(xié)會(huì)數(shù)據(jù)，2019年至2021年的新建量產(chǎn)產(chǎn)線以PERC電池片產(chǎn)線為主，PERC電池片在2021年的市場份額超過90%；在這個(gè)階段內(nèi)，主流電池片廠商以及公司在內(nèi)的設(shè)備廠商開始逐步布局TOPCon、XBC及HJT等新型高效光伏電池片技術(shù)，并共同推動(dòng)產(chǎn)業(yè)化落地；
第四階段是2022年至今，隨著PERC電池片轉(zhuǎn)換效率接近理論極限值，以TOPCon、XBC、HJT為代表的轉(zhuǎn)換效率更高的新型高效電池片技術(shù)進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。從實(shí)際落地的情況來看，TOPCon、XBC在突破設(shè)備、工藝、材料等瓶頸后，技術(shù)日趨成熟并實(shí)現(xiàn)成本和性能的平衡，率先完成量產(chǎn)；相較于TOPCon和XBC，目前主流廠商在HJT領(lǐng)域產(chǎn)能布局尚不廣泛，HJT電池片投產(chǎn)和量產(chǎn)規(guī)模仍較小。
想了解更多光伏發(fā)電發(fā)展前景和發(fā)展趨勢相關(guān)內(nèi)容，可關(guān)注中研網(wǎng)《2024年版光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)規(guī)劃專項(xiàng)研究報(bào)告》。
研究院服務(wù)號
中研網(wǎng)訂閱號