近两年光伏最热门话题之一当属硅片尺寸之争，毋庸置疑的是，大尺寸硅片成为行业发展趋势。今日我们将结合硅片尺寸发展历程、当下各硅片尺寸对比等，与各位同仁分享中节能太阳能科技(镇江)有限公司(以下简称中节能太阳能镇江)在大硅片尺寸组件上的探索。
一、大尺寸已成行业趋势
(a)硅片尺寸发展历程
硅片尺寸经历了三次主要的变革：第一阶段1981年-2012年，硅片尺寸以100mm、125mm为主;第二阶段2012年-2015年，以156mm(M0)、156.75mm(M2)为主;第三阶段2018年以来，出现了158.75mm(G1)、161.7mm(M4)、163mm、166mm(M6)、210mm(G12)等更大尺寸硅片。
(b)大尺寸快速普及
自2018年以来，硅片尺寸快速迭代，18年晶科率先推出G1硅片，19年韩华、隆基、中环相继推出M4、M6、G12硅片，大硅片迅速成为市场新宠，并成为改造、新建车间的基本前提。
一方面，平价上网迫在眉睫。
根据IRENA最新统计，全球光伏发电平均度电成本仍高于传统化石燃料(图1.1)，光伏装机容量仍需财政补贴才能实现稳量增长，截止2018年底中国财政补贴累计拖欠2000亿元(包含风电和生物质发电)，因而2018年以来相继出台了《关于推进风电、光伏发电无补贴平价上网项目建设的工作方案(征求意见稿)》《关于完善光伏发电上网电价机制有关问题的通知》《关于2019年风电、光伏发电项目建设有关事项的通知》等相关文件以促进光伏平价上网。美国、法国、德国也相继出台各项政策以推动光伏平价上网。
图1.1 不同发电度电成本对比(来源IRENA,2019.11)
另一方面，高功率组件可有效降低度电成本，但存在诸多限制。
第一，高效电池技术的应用可显著提升组件功率，但近年量产的多晶PERC、铸锭单晶PERC、单晶PERC等效率增速逐年降低，因而降本空间越来越小(图1.2);同时高效电池需进行多种技术优化及叠加，以单晶PERC电池为例，从23%提至24%，量产成本反而可能增高(图1.3)。
图1.2 各类型电池技术平均转换效率(来源CPIA数据整理)
图1.3 单晶PERC电池效率提升路线(来源隆基公开报告)
第二，高效组件技术百家齐放，目前仅多主栅半片技术实现大规模化量产，虽然提升组件功率10-15W，但是产生的收益仍无法满足市场降本需求。
组件提效技术主要包括：半片、反光膜、多主栅、叠瓦、三角焊带拼片、多主栅叠瓦等技术。半片及反光膜技术升级简单、已普及量产，但提效有限，两者叠加后可提升8-9W;多主栅叠加半片技术可提升组件功率10-15W，处于快速扩张中;叠瓦技术可提升组件功率20W以上，但技术门槛高、投资成本高、封装损失高、专利风险及设备成熟度有待提高等限制了大规模应用;三角拼片、多主栅叠瓦可提升组件功率25W以上，正处于实验或小规模量产阶段，设备稳定性、技术可靠性及市场接受度有待进一步验证。
图1.4 不同组件技术提效对比(来源英利公开报告)
第三，电池成本快速降低、非硅成本占比越来越高。图1.5展现了组件成本结构的变迁历史，2010年电池成本占比高达91%、非硅成本占9%，2018年电池成本占比降至49%、非硅成本则增至51%。同时由于非硅材料成本已趋于极限，因而降低单瓦材料封装成本可有效降低组件成本，从而促进光伏发电平价上网。
图1.5 不同年份组件成本对比(来源SolarWit公众号)
正是基于以上原因，同时大尺寸硅片具有独特优势：一是兼容性好，与多主栅半片、叠瓦、拼片等组件技术兼容;二是大幅提升组件功率12W-100W，显著降低电池及组件端制造及非硅成本，同时有效降低电站系统投入和度电成本。因而迅速成为市场主流。
根据CPIA最新预测，2022年大尺寸硅片将完全占据市场、M2硅片将退出历史(图1.6)，同时2019年IEC TC82/WG8会议在原156.75mm基础上新增158.75mm、166mm两种大尺寸硅片作为行业推荐使用标准尺寸。
图1.6 2019-2025 年不同尺寸硅片市场占比变化趋势(来源CPIA)
二、大尺寸硅片路线之抉择
上文已经阐述大尺寸硅片的应用可降低度电成本、大规模普及势在必行，那么是否硅片尺寸是否越大越好?大尺寸会带来哪些机遇和挑战?哪种尺寸会成为行业主流?接下来我们将从半导体、收益对比、供应链、量产、可靠性、系统端等角度分析。
半导体行业12英寸主流、18英寸已初见端倪
众所周知，光伏硅片与半导体硅片技术极为相似，早期光伏硅片尺寸标准主要源自半导体硅片行业。在摩尔定律的驱动下，半导体行业硅片尺寸从初始的4英寸发展到主流的12英寸。1980年代4英寸占主流，1990年代是6英寸占主流，2000年代8英寸占主流，目前主流的12英寸硅片预计在2022年达到市场份额的峰值，后续将朝着18英寸过渡。
图2.1 半导体硅片尺寸变化趋势(来源上海交通大学公开报告)
但是半导体硅片技术与光伏硅片技术仍存在一定差异性。一方面，半导体硅片在摩尔定律驱动下每18个月芯片数量增加一倍，制造成本越来越高，因而硅片尺寸扩大、单片芯片数量增加是降低成本的必由之路。而光伏硅片尺寸增大是由于硅片价格的大幅下跌、平价上网压力、其它降本技术乏力所共同推动的。另一方面，半导体硅片需切割成n个芯片、单独封装使用，而光伏领域则是将n个硅片串联后封装使用。
模仿借鉴是实现创新的前提准备、量变的积累和质变的必然。早期光伏处于起步阶段，需参考借鉴半导体行业经验，但随着光伏领域多年高速成长、经验积累、科技创新，光伏硅片尺寸的发展方向必然会走出适合自身的发展道路。
G12大硅片降本最多、G1硅片最低
针对三种尺寸硅片进行不同维度对比详见表2.1：硅片面积G12、M6较G1分别高75%、8.8%，组件功率则分别提升21.5%、8.8%(G12组件为50版型);G12、M6组件较G1组件可实现降本9.4%、2.9%;系统端BOS投入则实现3.4%、1.9%的成本节约，并助力LCOE分别降低6.5%、1.9%。
因而从收益角度G12硅片最具优势、M6其次。
G12组件设计受限，可靠性风险增加
目前基于G1、M6硅片的组件主流采用60或72片、6串串并联设计，而基于G12硅片的组件仅能采用50片、5串串并联设计，这是由于窑炉出料口及钢化炉尺寸限制、仅能满足长2.2m、宽1.1m的玻璃量产。同时为保持外观的相对一致性，G12组件设计需加接跳线(图2.1)。
图2.1 电路设计(左：M6组件，右：G12组件)
组件短路电流取决于电池受光面积、电路设计。G12硅片较M2硅片面积增加80.5%，单片电流即增加80.5%，若基于主流的切半设计、组件短路电流高达18.1A，已经临界接线盒承受极限，同时也超出逆变器的可接受范围;即使采用三分片设计，组件短路电池降至12.3A，与G1、M6组件相比，接线盒结温及反向热击穿风险已显著提升，同时三分切对应单串电池数量增加，这增加了热斑风险及电池反向击穿风险，根据我们的实测及模拟结果(表2.2)：G1组件在结温、热斑温度最具优势;M6组件结温、热斑温度略有增加，但仍可控;G12组件则面临较大的风险。同时G12组件需对电池切割2次，增加制程碎片风险，而切边数量及组件尺寸增加也提升了抗载荷风险。而中节能太阳能镇江量产的M6组件可通过3倍IEC老化测试、动载及静载加严测试(图2.2)，并顺利通过TUV莱茵认证。
图2.2 中节能M6组件老化测试对比
G12需新建线体，M6可升级改造
本文主要从拉晶、切片、电池及组件环节进行阐述。
拉晶环节，多数炉台改造后拉棒可兼容M6，但是实现G12硅片拉晶需购置新炉台。切片环节，绝大多数新上金刚线划片机可兼容M6，但是完成G12切片需购置新设备。电池生产环节，现有电池产线可通过改造兼容M6，改造费用较低，但是完成G12电池量产需新建线体，成本投入高。组件生产环节,流水线可通过改造兼容M6电池组件的量产，但是G12组件需新建线体。
根据CPIA最新统计，截止2019年全国硅片、电池、组件产能分别为134.6GW、108.6GW、98.6GW，而其中有相当产能是近两年扩建的新产线，可完全满足M6硅片、电池、组件的量产，由于所有产能均不支持G12的量产，而新建线体耗资巨大，因而市场推动力不足。
G12组件系统兼容性有待提升
目前电站端均支持G1、M6硅片组件的规模化安装，对于G12硅片组件，组件版型、重量进一步增大(表2.3)，对支架承重、现场安装均提出更高的挑战;同时组串逆变器对电流要求小于13A，而G12组件基于1/3切短路电流已经达到12.3A(表2.2)，叠加双面电池技术后短路电池更高，逆变器风险进一步增大。
表2.3 不同尺寸硅片组件基本参数对比
硅片薄化是未来趋势，M6更具优势
目前主流硅片尺寸在180μm，而硅片薄片化对于组件价格有立竿见影的作用，硅片每减薄20μm价格下降约10%，组件价格可降低5-6分/W。根据CPIA统计，预计2025年硅片厚度可降至140-160μm(图2.3)。但厚度减薄的同时，更大尺寸将承担更高的风险，切片良率降低、厚度均匀性更难控、电池及组件制程裂片风险增加、组件抗应力及热冲击的风险增加。目前M6已实现硅片、电池、组件规模化量产，且良率、可靠性已经经过上下游共同验证，因而更具优势。
图2.3 2019-2025 年硅片厚度变化趋势(来源CPIA)
三、M6尺寸为当下最优选择
大尺寸硅片的发展已成行业共识，关于尺寸规格的选择百家争鸣。由于G1对降低度电成本无显著作用，未来将作为过渡产品。G12硅片的降本优势毋庸置疑，但当下更应解决的是供应、良率、可靠性及系统应用，并最终转化为终端LCOE的降低，若只是“止于理论、脱于实际”，则很快淹没于滚滚历史中。M6尺寸更适配当下，已建产能巨大、上下游良率及可靠性验证、终端LCOE有效降低，预计将快速上升并在未来五年内占据市场主流。但同时我们更要思考，光伏硅片大尺寸未来如何开辟出适合全产业链发展的创新之路、降本之路。
责任编辑：大禹
