單晶硅片大尺寸路在何方?

在此前的很長(zhǎng)一段時(shí)間，硅片尺寸是統(tǒng)一的156毫米，行業(yè)內(nèi)企業(yè)都執(zhí)行這一標(biāo)準(zhǔn)，歸一化的標(biāo)準(zhǔn)有利于行業(yè)成本的降低，近些年隨著單多晶競(jìng)爭(zhēng)趨于激烈，且領(lǐng)跑者項(xiàng)目對(duì)功率有要求，于是大家紛紛在硅片尺寸是做起了“文章”，但由于各家企業(yè)各自為戰(zhàn)，使得硅片尺寸紛繁復(fù)雜，156.75、157.25、157.4、157.75、158.75、161.7甚至還有166.7等多種規(guī)格。而且不同邊長(zhǎng)的硅片對(duì)應(yīng)多種尺寸的導(dǎo)角、多種尺寸的組件版型。復(fù)雜而不統(tǒng)一的規(guī)格型號(hào)增加了企業(yè)的生產(chǎn)成本、企業(yè)間的交流成本以及電站業(yè)主的設(shè)計(jì)成本。由于各自為戰(zhàn)的硅片標(biāo)準(zhǔn)帶來(lái)諸多生產(chǎn)、交流成本，不符合光伏平價(jià)化的大趨勢(shì)，所以行業(yè)需要一個(gè)新的、統(tǒng)一的硅片尺寸標(biāo)準(zhǔn)來(lái)消除上述成本，然不同規(guī)格對(duì)應(yīng)不同成本也有不同的收益，不同企業(yè)生產(chǎn)設(shè)備不同，對(duì)新的規(guī)格尺寸適應(yīng)能力也不一樣，什么規(guī)格的尺寸才是能滿(mǎn)足大家需求、各方均能接受的尺寸?是本文要討論的議題。

一、硅片大尺寸會(huì)帶來(lái)哪些好處?

由于一些企業(yè)最初硅片大尺寸化的原因是：?jiǎn)味嗑Ъち业母?jìng)爭(zhēng)和為了滿(mǎn)足領(lǐng)跑者的功率要求，所以“硅片大尺寸化”被一些朋友扣上了“投機(jī)取巧”這個(gè)不太光彩的帽子。然而實(shí)際上硅片大尺寸化有其現(xiàn)實(shí)的經(jīng)濟(jì)意義。

1、電池片生產(chǎn)線(xiàn)產(chǎn)能是按照“通量”來(lái)計(jì)算的，例如最新一代的電池片生產(chǎn)線(xiàn)每小時(shí)可印刷5500片電池，生產(chǎn)節(jié)拍是按照1.3秒/張×2(雙軌設(shè)備)來(lái)計(jì)算的，在生產(chǎn)設(shè)備允許的范圍內(nèi)，更大的硅片尺寸意味著更大功率的電池產(chǎn)出，雖然單條生產(chǎn)線(xiàn)的出片量還是一定的，但是單張電池片的功率提高了。雖然單張電池片上所要攤銷(xiāo)的人力、折舊等消耗還是一致的，但是單瓦的攤銷(xiāo)更低了。

2、組件環(huán)節(jié)也是同樣，串焊機(jī)和層壓設(shè)備也是按照“量”來(lái)的，在生產(chǎn)設(shè)備允許的范圍內(nèi)，更大的硅片、電池片意味著更高的生產(chǎn)效率。

3、老一代生產(chǎn)設(shè)備精度不夠高，在標(biāo)準(zhǔn)制定時(shí)電池片之間留有更大的空隙為精度不夠高的設(shè)備留下足夠的容錯(cuò)空間。隨著以先導(dǎo)智能、捷佳偉創(chuàng)為代表的一系列優(yōu)秀的電池設(shè)備、組件設(shè)備生產(chǎn)商供應(yīng)一代又一代更加廉價(jià)、高精度的設(shè)備后，我們需要的容錯(cuò)空間更小，電池片之間的縫隙可以減小，隆基股份推出的M2尺寸規(guī)格(硅片尺寸由原156mm改為156.75mm)就是通過(guò)縮小電池片間縫隙、沒(méi)有改動(dòng)組件尺寸的情況下實(shí)現(xiàn)的，這等效于單位組件面積內(nèi)功率提升。這個(gè)方面的潛力挖掘似乎還沒(méi)有到頭，晶澳太陽(yáng)能近期在不改變組件尺寸的前提下把硅片尺寸做到了157.4mm。

通過(guò)以上幾個(gè)方面例子我們發(fā)現(xiàn)，硅片大尺寸化絕非投機(jī)取巧，經(jīng)過(guò)測(cè)算，在不明顯增加電池環(huán)節(jié)成本、不明顯改變下游組件尺寸、不增加下游電站建設(shè)成本的情況下，通過(guò)改善硅片尺寸化可以使組件功率提升1~3%(不同硅片規(guī)格對(duì)應(yīng)不同提升幅度)，雖然這個(gè)提升微不足道，但在電池片效率提升越來(lái)越難得情況下，硅片大尺寸化勢(shì)在必行，從這些角度上看，一定程度內(nèi)的大尺寸化是挖掘現(xiàn)有設(shè)備潛力的“微創(chuàng)新”。

二、硅片大尺寸化面臨哪些障礙?

適度的硅片大尺寸化好處多多，但并非沒(méi)有盡頭，伴隨著硅片尺寸的增大，阻礙也就越來(lái)越多。硅片尺寸增大到158.75需要更換花籃、夾具等設(shè)備，對(duì)于老的電池設(shè)備產(chǎn)能而言技改費(fèi)用約為40萬(wàn)/100兆瓦;尺寸進(jìn)一步增大到161.7mm時(shí)電池產(chǎn)線(xiàn)需要更換的設(shè)備就更多，技改費(fèi)用增加到60萬(wàn)/百兆瓦;而當(dāng)硅片尺寸大于161.7mm時(shí)就超過(guò)了現(xiàn)有PECVD設(shè)備的承受極限，此時(shí)對(duì)于較老的電池產(chǎn)能就失去了技改的經(jīng)濟(jì)意義。而對(duì)于166.7mm這種超大尺寸硅片則就需要定制化設(shè)備才行了。從標(biāo)準(zhǔn)的制定角度看，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的出臺(tái)就要盡可能多的適應(yīng)不同企業(yè)的訴求。如果我們認(rèn)為這一輪大尺寸化的過(guò)程是挖掘設(shè)備潛力而又不明顯改變組件尺寸的“微創(chuàng)新”，那么太大硅片尺寸就是創(chuàng)新過(guò)度。

從組件環(huán)節(jié)看，硅片尺寸從156mm增大到157.4mm不需要增加組件尺寸;158.75的硅片需要60型組件長(zhǎng)度增加1.4cm，增寬0.8cm;161.7尺寸的硅片需要60型組件長(zhǎng)度增加4.5cm;寬度增加2.6cm;使用166.7mm硅片的60型組件尺寸長(zhǎng)度增加約12cm，寬度增加6cm。歷史經(jīng)驗(yàn)看：亞太地區(qū)青睞60型組件、歐美地區(qū)親來(lái)72型組件，之所以出現(xiàn)這樣現(xiàn)象的背后就是各地安裝工人的體格不同，當(dāng)前組件尺寸是經(jīng)過(guò)多年經(jīng)驗(yàn)摸索確定下來(lái)的，我們可以一夜間把組件尺寸加長(zhǎng)12CM，但不可能讓安裝工人的平均身高一夜間長(zhǎng)高12cm。組件尺寸過(guò)于顯著的變化，將會(huì)使終端客戶(hù)接受過(guò)程中面臨眾多障礙。不僅是終端接受度的問(wèn)題，伴隨著組件尺寸的增大，我們需要更大的光伏玻璃、更大的封裝邊框和膠膜、更昂貴的運(yùn)輸費(fèi)用和安裝費(fèi)用、更結(jié)實(shí)的光伏支架和更大的占地面積。所以我們可以看到，硅片尺寸大到一定程度其帶來(lái)的邊際效益為零，而且由于非標(biāo)組件帶來(lái)更高的設(shè)計(jì)成本，當(dāng)硅片尺寸超過(guò)一定程度時(shí)，甚至可能出現(xiàn)大尺寸化邊際效益為負(fù)的情況。

三、“微創(chuàng)新”視角下的下一代單晶硅片規(guī)格的選擇

熟悉我的朋友應(yīng)當(dāng)知道我喜歡從第一性原理出發(fā)思考問(wèn)題，寫(xiě)過(guò)一些光伏行業(yè)研究方法論的文章，也寫(xiě)過(guò)光伏哲思錄系列。“微創(chuàng)新”是我今天反復(fù)強(qiáng)調(diào)的三個(gè)字，也是我對(duì)此輪硅片大尺寸化本質(zhì)的理解，和上一輪硅片尺寸由125mm提升至156mm進(jìn)而革命性的降低光伏發(fā)電成本不同，現(xiàn)在行業(yè)上下并沒(méi)有顯著改變硅片尺寸的訴求，而是盡量不改變現(xiàn)有產(chǎn)業(yè)格局下的潛力挖掘，是一種微創(chuàng)新、微進(jìn)步。在選型下一代硅片尺寸時(shí)，如果我們能把它理解為“微創(chuàng)新”，那么很多問(wèn)題也就迎刃而解，166mm尺寸的硅片自然是一個(gè)首先排除的選項(xiàng)，因?yàn)檫@個(gè)標(biāo)準(zhǔn)顯著改變了組件尺寸，終端客戶(hù)必定會(huì)有強(qiáng)烈反彈進(jìn)而使之不能成為主流標(biāo)準(zhǔn)。同樣道理，我也不是特別看好161.7這個(gè)尺寸，畢竟組件長(zhǎng)度增加4.5cm已經(jīng)算得上是十分顯著。

事物總是有兩面性，在產(chǎn)業(yè)上下不能接受太大的改變的同時(shí)，太小的改變又容易讓人忽略不接。既然是“微創(chuàng)新”，要增加投入成本，我們?cè)谛乱淮杵叽绲倪x擇上至少要做出能讓終端客戶(hù)感知的到的提升。近期多晶組件應(yīng)用157.25等尺寸，僅是為了更高比率的組件能做到275W以上的無(wú)奈選擇，遠(yuǎn)算不上是一次創(chuàng)新。所以改變太小就可能算不上創(chuàng)新了，因?yàn)榻K端客戶(hù)可能就沒(méi)有明顯感知了，自然也就無(wú)法在組件端帶來(lái)明顯的溢價(jià)。

在“微創(chuàng)新”視角下硅片尺寸改變?cè)诩炔荒芴?產(chǎn)業(yè)接受有問(wèn)題)，又不能太小(進(jìn)步不明顯消費(fèi)者無(wú)法感知)兩方約束下，我們發(fā)現(xiàn)選擇似乎豁然開(kāi)朗，直接得出我自己的結(jié)論吧：我認(rèn)為下一代更合適的單晶硅片尺寸為160mm厚度、158.75mm邊長(zhǎng)的方形單晶硅片。理由如下：

1、158.75mm邊長(zhǎng)的硅片比現(xiàn)有156.75mm的硅片僅長(zhǎng)2mm，現(xiàn)有的全部產(chǎn)能都能通過(guò)技術(shù)改造升級(jí)，且技改費(fèi)用合理、可承受。根據(jù)某大企業(yè)電池技術(shù)總監(jiān)給我提供的數(shù)據(jù)，即便對(duì)于很老的電池產(chǎn)能，100MW的技改費(fèi)用也可以控制在40萬(wàn)以?xún)?nèi)。

2、158.75mm邊長(zhǎng)的方形單晶硅片的面積(25,197m㎡)比現(xiàn)在的M2規(guī)格單晶硅片面積(24,429m㎡)大3.14%，根據(jù)我從愛(ài)旭方面的了解，在現(xiàn)在M2尺寸下2019年年底預(yù)期主流功率可以達(dá)到315~320W，那么電池片面積增大3.14%從理論上測(cè)算帶來(lái)的功率提升最大可達(dá)到10.05瓦，相當(dāng)于組件兩個(gè)功率當(dāng)，提升幅度已經(jīng)達(dá)到了“顯著”的水平，消費(fèi)者可明顯感知這一提升，若這一規(guī)格尺寸的硅片能得以推廣并疊加電池技術(shù)的進(jìn)步，我們?cè)?019年年底有望見(jiàn)到60版型單晶perc組件主流功率接近甚至達(dá)到330瓦的水準(zhǔn)。

3、158.75mm邊長(zhǎng)的電池片封裝后的組件規(guī)格尺寸僅增長(zhǎng)1.4cm，按照百分比測(cè)算相當(dāng)于增加1%，且由于應(yīng)用到了160um更薄的硅片以及與之相對(duì)應(yīng)的更薄的EVA，雖然組件面積增大1%，組件整體總重量保持不變。對(duì)于安裝運(yùn)輸?shù)拳h(huán)節(jié)把不利影響降低到了最小。

4、生產(chǎn)158.78mm的方形單晶硅片拉晶體環(huán)節(jié)和硅料環(huán)節(jié)的成本有所增加，但硅片厚度從180um降低到160um帶來(lái)的成本下滑更為顯著。所以綜合測(cè)算：生產(chǎn)158.75mm、160um厚度的方形單晶硅片的成本會(huì)比180um厚度的M2硅棒成本低8分錢(qián)(后面會(huì)有詳盡測(cè)算)。

綜上四點(diǎn)：158.75mm邊長(zhǎng)、160um厚度、224.5mm對(duì)角線(xiàn)的方形單晶硅片有生產(chǎn)成本降低、組件重量不變、功率提升兩檔、電池端接受度高等諸多優(yōu)勢(shì)。

四、方形單晶硅片是“微創(chuàng)新”視角下的必選項(xiàng)

這一節(jié)先普及一些基礎(chǔ)知識(shí)，專(zhuān)業(yè)人士可直接跳過(guò)

硅片尺寸不僅涉及邊長(zhǎng)，還要涉及形狀。所以今天討論的議題不僅涉及硅片的邊長(zhǎng)，自然還需要涉及硅片的形狀。在以前，單晶硅棒的長(zhǎng)晶成本十分高昂，硅料價(jià)格也是高高在上，所以為了盡量減少浪費(fèi)，單晶硅片都會(huì)留有四個(gè)“導(dǎo)角”。

這四個(gè)導(dǎo)角最終體現(xiàn)在組件上就是封裝留白。

組件封裝留白本質(zhì)上是一種浪費(fèi)，在以前拉晶成本高、硅料價(jià)貴的時(shí)代，封裝的導(dǎo)角留白是經(jīng)濟(jì)理性的，而時(shí)間點(diǎn)來(lái)到當(dāng)下，硅料價(jià)格已經(jīng)相比去年已經(jīng)跌去一半，單晶拉晶成本也顯著性的下滑，金剛線(xiàn)切割和薄片化的推廣更顯著降低了切片成本，我們是否到了可以消滅單晶硅片導(dǎo)角、消滅單晶組件的封裝留白的歷史性時(shí)刻呢?

我們更進(jìn)一步把問(wèn)題量化：要想生產(chǎn)158.75mm方形單晶硅片需要硅棒的生長(zhǎng)直徑由原先的215mm增加到228mm，進(jìn)而增加長(zhǎng)晶和硅料的成本。但與此同時(shí)消滅單晶硅片導(dǎo)角可使組件有效利用面積增加，下游電池和組件環(huán)節(jié)在完全不增加任何成本的情況下可提升組件功率進(jìn)而帶來(lái)價(jià)值。所以要回答是否要使用方形單晶本質(zhì)上就是要回答：方形單晶帶來(lái)功率提升的價(jià)值是否顯著大于拉晶、硅料環(huán)節(jié)增加的成本?其實(shí)這又可以分解為兩個(gè)問(wèn)題：

1、生產(chǎn)方形單晶硅片成本會(huì)增加多少?

2、方形單晶硅片帶來(lái)的功率提升價(jià)值有多少?

計(jì)算前的一個(gè)原理、兩個(gè)假設(shè)：

基本原理：面向未來(lái)的分析要基于面向未來(lái)的假設(shè)。

兩個(gè)假設(shè)：由于我認(rèn)為未來(lái)P型單晶硅片會(huì)過(guò)渡到160um厚度，且根據(jù)本文第三節(jié)的分析，硅片邊長(zhǎng)有潛力成為158.75mm，所以下面的測(cè)算中我們都是基于160um厚度以及158.75mm邊長(zhǎng)這兩個(gè)面向未來(lái)的假設(shè)。

問(wèn)題一的解答：生產(chǎn)方形單晶硅片成本會(huì)增加3.78元/60片。

生產(chǎn)對(duì)角線(xiàn)長(zhǎng)度為210mm、邊長(zhǎng)為158.75mm、厚度160um的帶導(dǎo)角的單晶硅片的成本為：2.358元/片，計(jì)算過(guò)程如下：

生產(chǎn)對(duì)角線(xiàn)長(zhǎng)度為224.5mm，邊長(zhǎng)為158.75mm、厚度為160um的方形單晶硅片的成本為：2.421元/片。

(注釋?zhuān)河?jì)算中假設(shè)215直徑圓棒每1kg的長(zhǎng)晶成本為34元(粉色部分)，而228直徑的圓棒1kg的長(zhǎng)晶成本為32元，這所以這樣假設(shè)是因?yàn)?28直徑的圓棒橫截面更大，晶體生長(zhǎng)的接觸面更大從而可帶來(lái)單位kg長(zhǎng)晶成本的降低)

答案：在158.75尺寸上引入方形單晶的尺寸會(huì)使得每張單晶硅片成本增加2.421-2.358=0.063元，每片組件成本增加0.063×60=3.78元。這是引入方形單晶硅片所需要增加的成本。

問(wèn)題二的解答方形單晶硅片帶來(lái)的功率提升價(jià)值有多少?

158.75的方形單晶硅片有效面積(25,193m㎡)比158.75的帶導(dǎo)角的單晶硅片的有效面積(24,983m㎡)大0.84%，對(duì)應(yīng)明年單晶perc主流315瓦的功率，0.84%面積增大可帶來(lái)315×0.84%=2.65瓦的功率提升。組件功率提升有兩個(gè)方面的價(jià)值，一個(gè)方面是更大功率組件帶來(lái)的面積相關(guān)成本更有效的攤銷(xiāo)(反過(guò)來(lái)說(shuō)是更高功率組件可以賣(mài)更貴);另一方面是增加的功率本身具有價(jià)值。兩方面的價(jià)值分別為：

面積相關(guān)成本500元的假設(shè)下，組件功率提升2.65瓦帶來(lái)面積相關(guān)攤銷(xiāo)價(jià)值為：500÷315 — 500÷317.65=0.0132×315=4.17元。

按照2019年perc組件1.9元的預(yù)期售價(jià)，2.65瓦的價(jià)值為2.65×1.9=5.03元。

所以消滅導(dǎo)角帶來(lái)的價(jià)值為4.17+5.03=9.2元。

本節(jié)結(jié)論：

對(duì)于一張60型的組件而言，消滅單晶硅片的導(dǎo)角所需增加的成本為3.78元，而消滅導(dǎo)角所帶來(lái)的功率提升的價(jià)值為9.2元，帶來(lái)的價(jià)值顯著大于所增加的成本，理性分析下，新一代單晶硅片尺寸的制定消滅單晶硅片導(dǎo)角，全面推廣方形單晶是必選項(xiàng)。而且從長(zhǎng)久角度考慮：方形單晶硅片有利于未來(lái)推廣疊瓦技術(shù)，是為下一輪組件封裝技術(shù)革命的標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)備工作。

再回到本節(jié)的主題，從晶科、天合等光伏出貨量龍頭企業(yè)的技術(shù)負(fù)責(zé)人方面了解到：對(duì)于電池和組件環(huán)節(jié)，使用方形的單晶硅片沒(méi)有任何障礙、無(wú)需增加任何成本就可以帶來(lái)功率提升。推廣方形單晶硅片唯一需要改變的就是長(zhǎng)晶環(huán)節(jié)生長(zhǎng)更“粗”的硅棒，從隆基方面了解，這個(gè)也沒(méi)有什么技術(shù)難度。產(chǎn)業(yè)上下所需要作出的改變很少，帶來(lái)的價(jià)值顯著大于帶來(lái)的成本，方形單晶硅片是典型的“微創(chuàng)新”活動(dòng)。反過(guò)來(lái)也是“微創(chuàng)新”思路下的最沒(méi)有障礙的選擇、最容易作出的改變。所以我本節(jié)題目才說(shuō)：方形單晶硅片是“微創(chuàng)新”視角下的必選項(xiàng)。

文章結(jié)語(yǔ)：

下一代單晶硅片尺寸規(guī)格是邊長(zhǎng)158.75mm、厚度160um、對(duì)角線(xiàn)224.5mm的方形單晶硅片是我基于一系列思考和匯總的信息得到的結(jié)論。這一規(guī)格下：硅片成本不增加甚至?xí)痊F(xiàn)在156.75的180um厚度的單晶硅片略有降低、組件尺寸不發(fā)生大的改變、組件重量保持不變但是組件功率有望提升兩檔(10瓦)。若這一尺寸能在2019年得到普及，60版型的單晶perc組件功率有望在2019年末達(dá)到330瓦，從而繼續(xù)保持組件功率每年10瓦以上提升的高速度。

與此同時(shí)我還特別想強(qiáng)調(diào)的是，這個(gè)規(guī)格僅是我自己的思考，不絕代表它一定就是最合理、最好的，我在本文章詳盡記錄了分析的過(guò)程和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。結(jié)論不是關(guān)鍵的，思考的過(guò)程和方法才是關(guān)鍵。我更希望能在思考方法上給大家在下一代硅片尺寸標(biāo)準(zhǔn)選定上提供一些借鑒。若本文能對(duì)大家思考未來(lái)單晶硅片尺寸選擇上有丁點(diǎn)作用，我便心滿(mǎn)意足。