光伏電池片:N型電池片技術(shù)疊代詳解
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2023-11-13 11:08
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1.引言
隨著(zhù)(zhe)全球碳中和進(jìn)(jìn)程不斷加速,疊加光伏發(fā)(fā)電成(chéng)本持續下行,經(jīng)(jīng)濟性不斷提升,光伏裝機需求高增長(cháng)(cháng)確定性較強。我們將(jiāng)對(duì)光伏全産業(yè)鏈進(jìn)(jìn)行全面(miàn)及深入的研究,旨在基于長(cháng)(cháng)期看好(hǎo)光伏産業(yè)鏈發(fā)(fā)展的情況下,作出深入研究并爲投資者提供參考。光伏産業(yè)鏈上遊包括原料高純度多晶矽材料的生産,單晶矽和多晶矽的制造,矽片的生産;中遊包括光伏電池片,光伏組件(玻璃、支架、膠膜等)以及逆變器環(huán)節;下遊是光伏發(fā)(fā)電的應用端包括光伏電站和分布式發(fā)(fā)電。本篇報告將(jiāng)聚焦于光伏産業(yè)鏈中技術(shù)疊代速度最快的中遊電池片環(huán)節,將(jiāng)PERC、TOPCon、HJT、IBC電池的原理、結構、發(fā)(fā)展曆史、工藝路線(xiàn)、轉換效率、成(chéng)本構成(chéng)及各企業(yè)對(duì)各種(zhǒng)類(lèi)産能(néng)規劃進(jìn)(jìn)行全面(miàn)梳理。
2.電池片簡(jiǎn)介及發(fā)(fā)展趨勢
2.1.定義:電池片是光伏發(fā)(fā)電核心部件,其技術(shù)路線(xiàn)和工藝水平直接影響光伏系統發(fā)(fā)電效率和使用壽命
從電池片的重要性來(lái)看,發(fā)(fā)電效率和使用壽命是光伏組件價(jià)值的核心參數:1)電池片的轉換效率是其受光照時(shí)的最大輸出功率和入射光功率的比值,是直接影響光伏組件乃至整個(gè)光伏發(fā)(fā)電系統發(fā)(fā)電效率的核心因素。轉換效率更高的電池片有著(zhù)(zhe)更高的輸出功率,用其封裝形成(chéng)的光伏組件的整體功率也會(huì )更高;2)電池片生産工藝的缺陷往往會(huì )導緻單體電池片的內阻不均勻從而極易産生熱斑現象,熱斑效應是指單體電池片被(bèi)小的物體遮蓋,導緻其所産生的電流變小,成(chéng)爲負載,輕則燒毀電池片,嚴重的會(huì )引起(qǐ)整片電池組件的燃燒,對(duì)組件使用壽命危害非常大。從這(zhè)個(gè)維度來(lái)看,電池片的生産工藝水平直接影響光伏組件的使用壽命。
電池片上遊主要包括原材料矽片和核心輔材銀漿。從光伏電池片産業(yè)鏈上遊來(lái)看,電池片主要原材料爲矽片,主要輔材爲銀漿、鋁漿和化學(xué)(xué)試劑,主要動(dòng)力爲電力。1)矽片:矽片是電池片主要原材料,在矽料價(jià)格持續上漲的背景下,矽片環(huán)節憑借其良好(hǎo)的價(jià)格傳導能(néng)力且相對(duì)穩定的競爭格局,維持較好(hǎo)盈利能(néng)力;2)銀漿:銀漿爲電池片結構中的核心電極材料,目前光伏銀漿需求隨著(zhù)(zhe)光伏行業(yè)的發(fā)(fā)展持續增長(cháng)(cháng),但受制于高技術(shù)門(mén)檻,海外廠(chǎng)商市場(chǎng)份額較大,尚有較大的國(guó)産替代空間。從電池片成(chéng)本構成(chéng)來(lái)看,根據Solarzoom數據,矽片占電池片成(chéng)本最高,約爲74-75%;銀漿是除矽片外電池片成(chéng)本占比第二高的材料,約占電池片總成(chéng)本的8%,占電池片非矽成(chéng)本的33%,主要能(néng)源電力約占總成(chéng)本的5%。
電池片下遊爲光伏組件制造商。從光伏電池片産業(yè)鏈下遊來(lái)看,電池片主要與光伏玻璃、其他封裝材料(背闆、EVA膠膜等)共同封裝形成(chéng)太陽(yáng)能(néng)電池組件,組件再與逆變器、支架等共同構成(chéng)光伏電站發(fā)(fā)電系統。從電池片占組件成(chéng)本比重來(lái)看,根據華經(jīng)(jīng)産業(yè)研究院,2021年電池片占組件成(chéng)本比重爲50.1%,同比-6.7pct,主要系矽料矽片、組件端的雙重壓力和供需關(guān)系影響導緻電池片價(jià)格承壓下行,但電池片仍爲光伏組件成(chéng)本的最核心組成(chéng)部分,也是光伏組件降本的主要途徑。
2.2.原理:光生伏特效應與PN結
太陽(yáng)能(néng)電池工作的原理爲光生伏特效應和PN結。光生伏特效應是指當物體受到光照時(shí),物體內的電荷分布狀態(tài)發(fā)(fā)生變化而産生電動(dòng)勢和電流的一種(zhǒng)效應,該效應是光伏發(fā)(fā)電的原理。電池片基本構造是運用P型與N型半導體接合而成(chéng),半導體最基本的材料是“矽”,純淨的矽是不導電的,但可以通過(guò)(guò)在矽中摻雜來(lái)改變分子結構:在矽晶體中摻入硼元素,即可做成(chéng)P型半導體;摻入磷元素,即可做成(chéng)N型半導體。電池片發(fā)(fā)電即是利用P型半導體有個(gè)空穴(P型半導體少了一個(gè)帶負電荷的電子,可視爲多了一個(gè)正電荷),與N型半導體多了一個(gè)自由電子的電位差來(lái)産生電流,當太陽(yáng)光照射到半導體的PN結時(shí),就會(huì )在PN結的兩(liǎng)邊出現光生電壓,進(jìn)(jìn)而將(jiāng)矽原子中的電子激發(fā)(fā)出來(lái),産生電子和空穴的對(duì)流,這(zhè)些電子和空穴均會(huì )受到內建電場(chǎng)影響,分別被(bèi)N型及P型半導體吸引,而聚集在兩(liǎng)端。在此情境下,將(jiāng)兩(liǎng)端外部用電極連接起(qǐ)來(lái),形成(chéng)一個(gè)回路,即可産生電流,這(zhè)就是太陽(yáng)電池發(fā)(fā)電的原理。
2.3.分類(lèi):根據襯底矽片類(lèi)型,分爲P型電池片和N型電池片
從提效原理來(lái)看,可將(jiāng)電池技術(shù)分爲減少電學(xué)(xué)損失和減少光學(xué)(xué)損失兩(liǎng)類(lèi)。從光照到電流的傳輸,電池中間會(huì )經(jīng)(jīng)曆:1)光學(xué)(xué)損失(光在電池片前表面(miàn)被(bèi)反射、長(cháng)(cháng)波長(cháng)(cháng)光未被(bèi)有效吸收、正面(miàn)電極造成(chéng)的阻擋等);2)電學(xué)(xué)損失(電子和空穴在複合中心複合、金屬電極和金屬柵線(xiàn)與半導體接觸産生額外電阻等),光學(xué)(xué)、電學(xué)(xué)損失都(dōu)會(huì )減少光電轉換效率。爲了降低光學(xué)(xué)損失,可通過(guò)(guò)增加減反射層(沉積SiNx原理)、陷光層(制絨原理)或將(jiāng)正面(miàn)金屬柵線(xiàn)放到背面(miàn)(IBC電池原理)。爲了降低電學(xué)(xué)損失,可進(jìn)(jìn)行場(chǎng)鈍化或化學(xué)(xué)鈍化處理,即通過(guò)(guò)提高矽片質(zhì)量或改善金屬和半導體接觸方案來(lái)減小載流子的複合速率,提高載流子壽命,當前主要采用的方法有:選擇性發(fā)(fā)射極(SE技術(shù)原理)、氧化矽+多晶矽(TOPCon電池隧穿層原理)、本征非晶矽+摻雜非晶矽(HJT電池原理)或富氫介質(zhì)膜(HJT電池本征富氫非晶矽膜原理)。
2.4.生産流程:主要概括爲6個(gè)流程,不同種(zhǒng)類(lèi)電池生産流程有所差異
傳統電池片生産主要可以概括爲6個(gè)步驟。從傳統電池片制作工藝流程來(lái)看,主要可以概括爲以下6個(gè)步驟:
1)清洗與制絨,主要目的是去除吸附在矽片表面(miàn)的各類(lèi)污染物,去除矽片表面(miàn)的切割損壞層;利用陷光原理降低電池表面(miàn)反射率,絨面(miàn)凹凸不平可以增加二次反射,改變光程及入射方式,增加光的吸收,提高短路電流,進(jìn)(jìn)而提升電池轉換效率。其中,因單多晶晶體結構差異,考慮到效率因素,多晶矽電池用酸制絨,絨面(miàn)爲不規則凹凸面(miàn);單晶矽電池用堿制絨,絨面(miàn)爲規則類(lèi)金字塔結構;
6)燒結,即把印刷到電池片表面(miàn)的電極在高溫下燒結,使電極和矽片本身形成(chéng)歐姆接觸,提高電池片開(kāi)(kāi)路電壓和填充因子,使電極接觸有電阻特性以達到高轉換效率。
各種(zhǒng)類(lèi)電池生産流程有所差異。值得注意的是,不同種(zhǒng)類(lèi)電池片在生産流程上有所差異,其中 PERC 電池生産工藝步驟在 10 步左右,較傳統BSF 電池主要增加激光制備SE、雙面(miàn)氧化、背表面(miàn)氧化鋁/氮化矽複合膜制備環(huán)節; TOPCon 電池工藝步驟爲 12~13 步; HJT 電池工藝流程較爲簡(jiǎn)化,總步驟爲 6 步(各種(zhǒng)類(lèi)電池工藝流程詳細講解見(jiàn)各章節工藝流程部分)。
2.5.發(fā)(fā)展趨勢:全國(guó)電池片産量高速增長(cháng)(cháng),N型電池技術(shù)效率躍升新高度
全國(guó)電池片産量近十年來(lái)保持高速增長(cháng)(cháng),CAGR高達33.5%。根據中國(guó)光伏行業(yè)協(xié)會(huì )(CPIA)發(fā)(fā)布的《中國(guó)光伏産業(yè)發(fā)(fā)展路線(xiàn)圖(2021年版)》,全國(guó)電池片産量已經(jīng)(jīng)從2011年的11GW迅速增長(cháng)(cháng)到了2021年的198GW,2021年電池片産量同比增長(cháng)(cháng)46.9%,近十年的CAGR高達33.5%。根據中國(guó)光伏行業(yè)協(xié)會(huì )(CPIA)預計,2022年全國(guó)電池片産量將(jiāng)超過(guò)(guò)261GW。
2.5.2.PERC電池産能(néng)占比91%,短期仍然占據主流地位
PERC電池從傳統鋁背場(chǎng)電池升級改造而來(lái),與BSF電池相比,光電轉換效率更高。PERC(Passivated Emitterand Rear Cell)電池,全稱(chēng)爲“發(fā)(fā)射極和背面(miàn)鈍化電池”,是從常規鋁背場(chǎng)電池AL-BSF結構自然衍生而來(lái)。常規BSF電池由于背表面(miàn)的金屬鋁膜層中的複合速度無(wú)法降至200cm/s以下,緻使到達鋁背層的紅外輻射光隻有60%~70%能(néng)被(bèi)反射,産生較多光電損失,因此在光電轉換效率方面(miàn)具有先天的局限性。而PERC技術(shù)通過(guò)(guò)在電池背面(miàn)附上介質(zhì)鈍化層,采用背面(miàn)點(diǎn)接觸來(lái)代替整個(gè)全鋁背場(chǎng),可以較大程度減少這(zhè)種(zhǒng)光電損失,從而提升光伏電池1%左右的光電轉換效率。僅從結構上來(lái)看,兩(liǎng)者是較爲相似的,PERC電池僅比BSF電池多一個(gè)背鈍化層。形成(chéng)背面(miàn)鈍化疊層使得PERC電池能(néng)在降低背表面(miàn)複合速度的同時(shí),提升背表面(miàn)的光反射,提升了電池的轉換效率。
從設備端上來(lái)看,PERC電池産線(xiàn)相較于BSF電池産線(xiàn)需增添兩(liǎng)套設備。PERC電池産線(xiàn)較常規BSF電池産線(xiàn)需要新增的設備包括:1)背面(miàn)鈍化處理(氧化鋁+外覆氮化矽);2)激光開(kāi)(kāi)槽設備,故從BSF産線(xiàn)升級到PERC産線(xiàn)極爲方便,這(zhè)也是目前PERC電池能(néng)在光伏産業(yè)中得到大規模應用的重要原因之一。
4)2018年-至今:PERC電池進(jìn)(jìn)入爆發(fā)(fā)期,成(chéng)爲市場(chǎng)主流。2019年P(guān)ERC電池規?;慨b加速,量産效率達22.3%,産能(néng)占比超過(guò)(guò)50%,正式超過(guò)(guò)BSF電池成(chéng)爲最主流的光伏電池技術(shù)。根據CPIA預計,到2022年P(guān)ERC電池量産效率將(jiāng)達23.3%,産能(néng)占比將(jiāng)超過(guò)(guò)80%,市場(chǎng)份額仍將(jiāng)穩居第一。
從量産效率來(lái)看,PERC電池量産效率呈現逐年增長(cháng)(cháng)趨勢,PERC單晶電池量産效率由2016年的20.5%提升至2021年的23.1%,據CPIA預計,2022年P(guān)ERC單晶電池量産效率將(jiāng)達23.3%。從最高效率來(lái)看,截至目前,單晶雙面(miàn)PERC電池最高效率記錄由隆基綠能(néng)于2019年1月創(chuàng )造,最高效率達24.06%(CPVT認證)。從理論極限效率來(lái)看,根據權威測試機構德國(guó)哈梅林太陽(yáng)能(néng)研究所(ISFH)測算,P型單晶矽PERC電池理論轉換效率極限爲24.5%,P型PERC電池量産效率已十分逼近理論極限效率,效率提升空間有限。
PERC電池産能(néng)持續攀升,市占率遙遙領(lǐng)先成(chéng)爲主流。根據中國(guó)光伏行業(yè)協(xié)會(huì ),2015年前,BSF電池爲主流産品,占據了90%的市場(chǎng)份額。2016年起(qǐ),BSF電池市占率呈現大幅下滑趨勢,由2016年的87.8%下滑至2021年的5%,主要原因系BSF電池具有先天局限性,光電損失較大,而下遊客戶(hù)對(duì)高效電池片的需求日益顯著(zhù)緻使BSF逐漸被(bèi)淘汰;同期PERC電池市占率呈現大幅提升趨勢,由2016年的10.0%攀升至2021年的91.2%,現已成(chéng)爲電池片主流産品。光電轉換效率更高的N型電池(主要包括TOPCon和HJT電池)成(chéng)本較高,量産規模仍較小,2021年市場(chǎng)占比約3%,較2020年基本持平。
光伏電池技術(shù)路線(xiàn)更新疊代速度快,先進(jìn)(jìn)路線(xiàn)格局未定。根據中國(guó)光伏行業(yè)協(xié)會(huì )預測,到2030年,光伏電池技術(shù)市場(chǎng)會(huì )進(jìn)(jìn)一步被(bèi)高效電池産能(néng)所替代,N型電池將(jiāng)成(chéng)爲市場(chǎng)主流。具體來(lái)看,BSF電池産線(xiàn)從2015年後(hòu)開(kāi)(kāi)始陸續退出了電池廠(chǎng)商的新增産線(xiàn),預計未來(lái)市場(chǎng)占有率會(huì )進(jìn)(jìn)一步降低,最後(hòu)被(bèi)淘汰。轉換效率更高的N型電池,包括TOPCon電池、HJT電池和背接觸電池,會(huì )在未來(lái)十年內陸續釋放産能(néng),隨著(zhù)(zhe)技術(shù)進(jìn)(jìn)步和成(chéng)本降低,最終取代目前PERC電池的壟斷地位。
N型電池的轉換效率更高,未來(lái)將(jiāng)成(chéng)爲光伏電池片的主流技術(shù)。根據中國(guó)光伏行業(yè)協(xié)會(huì )CPIA統計,2021年,規?;b的P型單晶電池均采用PERC技術(shù),平均轉換效率達到23.1%,較2020年+0.3pct;采用PERC技術(shù)的多晶黑矽電池片轉換效率達到21.0%,較2020年+0.2pct;N型TOPCon電池平均轉換效率達到24.0%,HJT電池平均轉換效率達到24.2%,兩(liǎng)者較2020年均有較大提升,IBC電池平均轉換效率達到24.1%。未來(lái)隨著(zhù)(zhe)生産成(chéng)本的降低及良率的提升,N型電池將(jiāng)會(huì )是電池技術(shù)的主要發(fā)(fā)展方向(xiàng)之一。
3.TOPCon電池:接軌PERC産線(xiàn),産業(yè)化進(jìn)(jìn)度最快
3.1.簡(jiǎn)介:采用量子隧穿效應,LPCVD爲當前主流工藝路線(xiàn)
3.1.1.N型矽襯底,采用隧穿氧化層鈍化接觸技術(shù)
TOPCon電池技術(shù)利用隧穿氧化層,極大降低少子複合速率。TOPCon是(Tunnel Oxide Passivated Contact)的縮寫(xiě),TOPCon電池屬于一種(zhǒng)鈍化接觸型電池。由于PERC電池金屬電極仍與矽襯底直接接觸,金屬與半導體的接觸界面(miàn)由于功函數失配會(huì )産生能(néng)帶彎曲,并産生大量的少子複合中心,對(duì)太陽(yáng)電池的效率産生負面(miàn)影響。若采用薄膜將(jiāng)金屬與矽襯底隔離,則可以減少少子複合。在電池背面(miàn)制備一層超薄氧化矽,然後(hòu)再沉積一層摻雜矽薄層,二者共同形成(chéng)了鈍化接觸結構,即是TOPCon技術(shù)。超薄氧化層可以使多子電子隧穿進(jìn)(jìn)入多晶矽層,同時(shí)阻擋少子空穴複合,進(jìn)(jìn)而電子在多晶矽層橫向(xiàng)傳輸被(bèi)金屬收集,極大地降低複合速率,提升了電池的開(kāi)(kāi)路電壓和短路電流,從而提升電池轉換效率。
3)2021年-至今:電池效率屢創(chuàng )新高,TOPCon有望規?;瘧?。國(guó)內廠(chǎng)商加大對(duì)TOPCon技術(shù)的布局并步入行業(yè)前列,2021年隆基綠能(néng)在單晶矽片商業(yè)化尺寸TOPCon電池效率上首次突破25%,N型TOPCon轉換效率達到了25.21%,2022年晶科能(néng)源自主研發(fā)(fā)的182N型高效單晶矽電池最高效率達到了25.7%,TOPCon電池或將(jiāng)開(kāi)(kāi)始啓動(dòng)規?;瘧?。
總體來(lái)看,目前TOPCon電池工藝還(hái)是以L(fǎng)PCVD本征+擴磷法制備爲主流,該方法成(chéng)熟度最高,但繞鍍問(wèn)題較嚴重;LPCVD+離子注入工藝路線(xiàn)目前占地面(miàn)積較大,幾乎沒(méi)(méi)有繞鍍問(wèn)題但是設備成(chéng)本昂貴,正逐漸被(bèi)邊緣化;PECVD原位摻雜法原則上沒(méi)(méi)有繞鍍問(wèn)題,與PERC産線(xiàn)不兼容,更適合新的産線(xiàn),後(hòu)續有望通過(guò)(guò)工藝的成(chéng)熟改善鍍膜穩定性,成(chéng)爲主流技術(shù)。
3.2.轉換效率:理論轉換效率高達28.7%,量産效率爲24%~24.5%
TOPCon電池理論轉換效率居各種(zhǒng)類(lèi)電池之首,極限效率高達28.7%。從理論極限效率來(lái)看,根據權威測試機構德國(guó)哈梅林太陽(yáng)能(néng)研究所(ISFH)測算,TOPCon電池的理論極限效率達到28.7%,高于HJT的27.5%和PERC的24.5%,且最接近晶體矽太陽(yáng)能(néng)電池理論極限效率29.43%。根據隆基最新測算,TOPCon電池理論極限效率維持28.7%,HJT理論極限效率提升至28.5%,仍小幅低于雙面(miàn)TOPCon極限效率,雙面(miàn)TOPCon電池極限效率居各種(zhǒng)類(lèi)電池之首。
目前量産效率在24%~24.5%,最高實(shí)驗室效率高達25.7%。從量産效率來(lái)看,根據EnergyTrend,目前TOPCon量産效率達24%~24.5%,頭部電池廠(chǎng)商量産平均效率突破24%,包括中來(lái)、隆基在內的許多頭部公司已經(jīng)(jīng)將(jiāng)實(shí)驗室效率做到了25%以上,未來(lái)TOPCon電池産業(yè)化效率有更高的提升空間。從最高效率來(lái)看,2021年4月,經(jīng)(jīng)德國(guó)ISFH研究所測試,隆基單晶雙面(miàn)N型TOPCon電池轉換效率達25.09%,矽片商業(yè)化尺寸TOPCon電池效率首次突破25%,是TOPCon發(fā)(fā)展進(jìn)(jìn)程重要裡(lǐ)程碑之一。截至目前,TOPCon電池最高效率由晶科能(néng)源于2022年4月創(chuàng )造,由中國(guó)計量科學(xué)(xué)院檢測實(shí)驗室認證,全面(miàn)積電池轉換效率達到25.7%。
3.3.成(chéng)本端:兼容PERC産線(xiàn)設備,大矽片+銀鋁漿進(jìn)(jìn)一步推動(dòng)成(chéng)本下降
TOPCon電池和PERC電池的技術(shù)和産線(xiàn)設備兼容性極高。從設備角度來(lái)看,大部分的TOPCon産線(xiàn)可以從PERC産線(xiàn)升級得來(lái),極大降低設備投資成(chéng)本。此外,TOPCon産線(xiàn)延長(cháng)(cháng)了PERC産線(xiàn)生命周期,有助于降低折舊費用。TOPCon和PERC産線(xiàn)均爲高溫工藝,且TOPCon技術(shù)最大程度保留和利用了現有傳統P型電池設備制程,主要新增的設備包括:多晶矽/非多晶矽沉積的LPCVD/PECVD/PVD設備、硼擴散設備等。
從非矽成(chéng)本上來(lái)看,可以通過(guò)(guò)使用多主柵技術(shù)或使用銀鋁漿替代銀漿來(lái)降低成(chéng)本。根據Solarzoom,TOPCon電池成(chéng)本結構中,主要包括矽片、銀漿、水電和折舊,分別占總成(chéng)本比重的62%、16%、6%和4%。目前TOPCon的成(chéng)本仍顯著(zhù)高于PERC電池,主要原因系新增的工藝設備和高雙面(miàn)率導緻銀漿耗量提升。根據PVInfoLink統計,截至2021年底,TOPCon電池的非矽成(chéng)本已經(jīng)(jīng)有能(néng)力低于0.3元/瓦,對(duì)比PERC電池仍然有0.18-0.22元/瓦的差距,主要原因系銀漿單耗高,TOPCon的雙面(miàn)率高,正反面(miàn)都(dōu)需要使用銀漿,根據PVInfoLink,M6型TOPCon電池使用的銀漿約130mg,較M6型PERC電池高出約60mg,預計未來(lái)可以通過(guò)(guò)多主柵或背面(miàn)使用銀鋁漿來(lái)降低非矽成(chéng)本。
3.4.産能(néng)規劃:預計2022年TOPCon落地産能(néng)有望超過(guò)(guò)50GW
預計2022年TOPCon落地産能(néng)有望超過(guò)(guò)50GW。從産能(néng)角度來(lái)看,根據各公司生産規劃統計,我們預計2022年TOPCon落地産能(néng)有望超過(guò)(guò)50GW。具體來(lái)看,2022年,晶科能(néng)源安徽合肥和浙江海甯項目預計投産規模將(jiāng)達到16GW,公司也是最早實(shí)現GW級TOPCon電池出貨的廠(chǎng)商;從電池效率角度來(lái)看,目前公司N型TOPCon實(shí)驗室轉換效率高達25.7%,處于行業(yè)之首,量産效率則達24.5%,處于行業(yè)內領(lǐng)先地位。中來(lái)股份作爲最早布局TOPCon的企業(yè),目前山西一期8GW産線(xiàn)正處于設備安裝階段,預計2022年新增産能(néng)將(jiāng)達到6GW;從電池效率角度來(lái)看,目前公司N型TOPCon實(shí)驗室轉換效率高達到25.4%,量産效率則再24%以上。天合光能(néng)將(jiāng)TOPCon作爲公司主打産品,宿遷8GWTOPCon項目預計將(jiāng)于今年下半年投産;從電池效率角度來(lái)看,N型i-TOPCon實(shí)驗室轉換效率達25.5%,量産平均效率達24.5%,此外,公司聚焦于高效N型TOPCon/鈣鈦礦疊層電池,擬達到鈣鈦礦/晶體矽兩(liǎng)端疊層太陽(yáng)電池效率大于29%的目標。根據我們預計,2022年TOPCon落地産能(néng)有望超50GW。從産能(néng)規劃總量來(lái)看,根據EnergyTrend統計,截至目前TOPCon總産能(néng)規劃達到162GW,目前新建的TOPCon産能(néng)都(dōu)爲新建産線(xiàn),很少從PERC産線(xiàn)升級而來(lái)。
4.HJT電池:顛覆性技術(shù)異軍突起(qǐ),産業(yè)化降本路徑清晰明確
4.1.簡(jiǎn)介:采用異質(zhì)結替代同質(zhì)結,異質(zhì)結電池誕生逾30年
4.1.1.異質(zhì)結替代同質(zhì)結,本征富氫非晶矽膜爲核心工藝
本征富氫非晶矽膜是HJT異質(zhì)結電池的核心工藝。異質(zhì)結電池中,單晶矽層和摻雜非單晶矽層中間處會(huì )嵌入一層鈍化材料,高質(zhì)量的鈍化層會(huì )對(duì)異質(zhì)界面(miàn)缺陷鈍化、減少載流子複合、增大開(kāi)(kāi)路電壓。在各鈍化材料中,本征富氫非晶矽薄膜爲當前的最佳選擇,由于H原子的存在,界面(miàn)處形成(chéng)的Si-H鍵能(néng)使界面(miàn)態(tài)懸掛鍵得到有效的飽和,界面(miàn)態(tài)密度降低,少子壽命提高,增大開(kāi)(kāi)路電壓。同時(shí),異質(zhì)結界面(miàn)兩(liǎng)端具有較大的界面(miàn)勢壘,富氫非晶矽膜能(néng)提供緩沖作用,調節能(néng)帶偏移,降低隙態(tài)密度,減少漏電流,提高電池的輸出性能(néng)。
4)2017-2022年:國(guó)內廠(chǎng)商加快HJT産業(yè)化步伐。2017年晉能(néng)科技成(chéng)爲了國(guó)內最早試生産HJT電池的廠(chǎng)商,此後(hòu)越來(lái)越多的企業(yè)開(kāi)(kāi)始進(jìn)(jìn)入中試生産階段,到2019年已有多家國(guó)內廠(chǎng)商宣布GW級HJT産能(néng)規劃。2021年隆基綠能(néng)的研究團隊更新HJT電池的理論極限效率至28.5%,并刷新紀錄達到26.3%的實(shí)驗室效率。
4.2.轉換效率:理論轉換效率爲28.5%,量産效率爲24%~24.5%
HJT電池理論極限效率爲28.5%,目前量産效率在24%~24.5%,最高實(shí)驗室效率高達26.5%。從理論極限效率來(lái)看,根據隆基最新測算,HJT理論極限效率爲28.5%,仍小幅低于雙面(miàn)TOPCon電池的28.7%。從量産效率來(lái)看,根據EnergyTrend,目前國(guó)內多條HJT中試線(xiàn)上平均轉換效率達24%~24.5%,HJT電池産業(yè)化效率仍有較大的提升空間。從最高效率來(lái)看,截至目前,HJT電池最高效率由隆基綠能(néng)于2022年6月創(chuàng )造,由德國(guó)ISFH研究所認證,M6全尺寸電池光電轉換效率高達26.5%。根據PVInfoLink預計,隨著(zhù)(zhe)設備的不斷升級,2022年HJT有望實(shí)現25%+的量産效率。
2)溫度系數絕對(duì)值低:光伏系統實(shí)際工作的溫度是要高于實(shí)驗室的標準室溫,故高溫下的電池性能(néng)尤爲重要。根據Solarzoom,HJT電池的功率溫度系數約爲-0.25%/℃,相比PERC電池-0.38%/℃的溫度系數存在0.13%/℃的優(yōu)勢。根據Solarzoom測算,如果考慮電池工作溫度超出環(huán)境溫度10~40℃,而全年平均環(huán)境溫度相比實(shí)驗室標準工況低5~10℃,則HJT每W發(fā)(fā)電量高出雙面(miàn)PERC電池約0.6%~3.9%。從溫度系數角度來(lái)看,HJT電池能(néng)更好(hǎo)地減少太陽(yáng)光帶來(lái)的熱損失;
4)工藝流程簡(jiǎn)化&低溫工藝使得降本空間大:HJT電池的核心工藝包括:制絨、非晶矽沉積、TCO薄膜沉積和絲網(wǎng)印刷,全套工藝流程共計6個(gè)環(huán)節,遠少于PERC電池的10個(gè)環(huán)節和TOPCon的12-13個(gè)環(huán)節。其中非晶矽沉積主要用PECVD方法,TCO薄膜沉積用RPD(反應等離子體沉積法)或PVD(物理化學(xué)(xué)氣相沉積法)。工藝流程簡(jiǎn)化使得HJT電池從生産效率和産品良率上更有優(yōu)勢和提升空間,目前TOPCon電池良率在93%~95%的水平,而HJT電池良率在97%以上。此外,HJT采取低溫工藝,采用矽基薄膜形成(chéng)PN結,最高工藝溫度在200℃以?xún)?,相比于傳統的熱擴散型P-N結在900℃高溫下制備,一方面(miàn)有利于薄片化(未來(lái)可實(shí)現100μm厚度)和降低熱損傷進(jìn)(jìn)而降低矽片成(chéng)本,另一方面(miàn)因能(néng)源節約等因素非矽成(chéng)本也表現更優(yōu)。
4.3.成(chéng)本端:成(chéng)本仍處高位,多種(zhǒng)降本路線(xiàn)齊頭并進(jìn)(jìn)
HJT電池生産成(chéng)本相較于PERC電池每瓦高0.18元。從HJT電池總生産成(chéng)本來(lái)看,我們假設:1)稅率爲13%;2)設備折舊年限爲6年;3)根據CPIA預計,2022年P(guān)ERC電池轉換效率將(jiāng)達23.3%,2022年HJT電池轉換效率將(jiāng)達24.6%;4)根據矽業(yè)分會(huì ),上周矽片均價(jià)爲5.72元/片,假設N型矽片溢價(jià)6%;5)根據普樂(lè )科技,目前M6PERC電池單片銀漿耗量約80mg,根據CPIA,假設2022年HJT電池單片銀漿耗量下降至170mg;6)根據中科院電工所,HJT電池使用的低溫銀漿較傳統銀漿溢價(jià)爲2000元/千克;7)根據中科院電工所,M6HJT電池單片靶材耗量爲168mg,靶材價(jià)格爲2000元/千克?;谝陨霞僭O,我們測算2022年HJT電池總生産成(chéng)本較PERC電池高0.18元/瓦,其中HJT電池非矽成(chéng)本較PERC電池非矽成(chéng)本高0.18元/瓦。
銀漿成(chéng)本在HJT電池非矽成(chéng)本中占比近60%。從HJT電池成(chéng)本構成(chéng)來(lái)看,根據CPIA,HJT電池成(chéng)本結構中,主要包括矽片、銀漿、折舊和TCO,分別占比總成(chéng)本47%、25%、12%和4%。從非矽成(chéng)本來(lái)看,根據《HJT電池技術(shù)發(fā)(fā)展現狀及成(chéng)本分析》,銀漿爲最主要的非矽成(chéng)本構成(chéng),占比總非矽成(chéng)本的59%,主要原因系1)量:HJT電池所需的低溫銀漿導電能(néng)力較弱,故HJT電池銀漿耗用量高于PERC和TOPCon電池,根據CPIA,2021年P(guān)型電池正銀+背銀消耗量共計約96.4mg/片;TOPCon電池正銀+背銀消耗量共計約145.1mg/片,而HJT電池雙面(miàn)低溫銀漿消耗量約190mg/片;2)價(jià):低溫銀漿的國(guó)産化率較低,目前價(jià)格大幅高于高溫銀漿,根據《HJT電池技術(shù)發(fā)(fā)展現狀及成(chéng)本分析》,低溫銀漿較高溫銀漿溢價(jià)約2000元/千克。在量?jì)r(jià)的雙重影響下,銀漿爲HJT電池最主要的非矽成(chéng)本構成(chéng),占比總非矽成(chéng)本近六成(chéng),未來(lái)將(jiāng)成(chéng)爲HJT電池的主要降本路線(xiàn)之一。
1)銀漿:目前的光伏銀漿分爲高溫銀漿和低溫銀漿兩(liǎng)種(zhǒng),主要的區別在于工藝溫度,傳統的P型電池和N型TOPCon使用高溫銀漿,HJT隻能(néng)使用低溫銀漿。HJT電池是在晶矽基片使用薄膜技術(shù)制作PN結、減反射層和導電層的新型電池工藝技術(shù),其整個(gè)電池制作前道(dào)過(guò)(guò)程的工藝溫度均不超過(guò)(guò)200℃。高溫銀漿成(chéng)型需要700℃以上的高溫,若使用高溫銀漿作HJT電池的正負極,會(huì )對(duì)其薄膜結構造成(chéng)非常大的損傷,故目前HJT電池隻能(néng)采用樹(shù)脂固化型的低溫銀漿制作電池的正負極。由于低溫銀漿的導電性和印刷性較差并且HJT電池雙面(miàn)均需要使用銀漿,爲了保證低電阻和高電導傳輸,HJT電池的低溫銀漿濃度要求更高,耗量更大。
b)單片耗量上:1.多主柵、無(wú)主柵技術(shù)可以在減少電池轉換效率的基礎上,增加組件的導電性,降低銀漿耗量,根據中科院電工所,5BB技術(shù)、9BB技術(shù)、12BB技術(shù)的單片HJT電池耗銀量分別在350mg/片、200mg/片、130mg/片;2.銀包銅工藝,即是在銅的表面(miàn)包裹銀粉,低溫加工工藝使銅作爲導電材料從而降低銀的使用量,根據中科院電工所,銀包銅MBB技術(shù)的單片HJT電池耗銀量爲100mg/片;3.激光轉印技術(shù)爲非接觸式印刷,制作出來(lái)的柵線(xiàn)更細,根據帝爾激光公司公告,激光轉印技術(shù)在PERC電池上驗證的銀漿耗量節省約30%,在HJT電池上的節約量會(huì )更大。目前帝爾激光太陽(yáng)能(néng)電池激光工藝設備全球市占率第一,激光轉印技術(shù)走在國(guó)際前沿,邁爲股份也在積極布局該技術(shù),預計未來(lái)短期內還(hái)是多主柵MBB技術(shù)爲主,而長(cháng)(cháng)期來(lái)看激光轉印技術(shù)也在不斷研發(fā)(fā),有望助力HJT降本。
3)矽片:HJT電池的異質(zhì)結結構更適合矽片的薄片化,具備天然優(yōu)勢。HJT電池的對(duì)稱(chēng)結構能(néng)夠降低機械應力,矽片的碎片率更低;低溫工藝使得良品率更高;在矽片變薄的情況下,HJT開(kāi)(kāi)路電壓上升,短路電流下降,轉換效率基本不變。根據CPIA測算,2021年,用于TOPCon電池的N型矽片平均厚度爲165μm,用于異質(zhì)結電池的矽片厚度約150μm,用于IBC電池的矽片厚度約130μm,根據東方日升公司公告,HJT電池的矽片厚度降到100μm基本不影響效率。根據索比光伏網(wǎng),矽片厚度每降低10μm,單片矽片成(chéng)本將(jiāng)降低3%~5%。
4.4.産能(néng)規劃: 預計 2022 年新增産能(néng) 20-30GW
HJT産業(yè)化持續推進(jìn)(jìn),産線(xiàn)適配仍需磨合。HJT電池産線(xiàn)與PERC産線(xiàn)不兼容,行業(yè)“新進(jìn)(jìn)者”紛紛布局HJT電池,使得目前HJT電池産線(xiàn)大部分仍以小規模爲主。具體來(lái)看,截至目前,華晟新能(néng)源已形成(chéng)異質(zhì)結電池和組件産能(néng)各2.7GW,規模居全球異質(zhì)結領(lǐng)域第一,公司規劃三期4.8GW産線(xiàn)預計將(jiāng)于2023年完成(chéng);從轉換效率來(lái)看,華晟210mm尺寸微晶異質(zhì)結電池片批次平均效率已達24.73%,生産線(xiàn)冠軍電池片效率高達25.1%。金剛玻璃1.2GW産線(xiàn)目前處于産能(néng)爬坡?tīng)顟B(tài),2022年6月,公司宣布建設4.8GW高效異質(zhì)結電池片及組件項目;從轉換效率來(lái)看,6月異質(zhì)結非晶電池平均轉換效率達24.28%,微晶轉換效率達24.95%,微晶MBB(即電池柵線(xiàn)爲12主柵)轉換效率達25.3%。東方日升將(jiāng)原先100MW的異質(zhì)結
産線(xiàn)改造并擴産至500MW的異質(zhì)結薄片産線(xiàn),第一片産品于5月10日順利下線(xiàn),公司甯海15GWHJT電池+15GW組件的一期部分(即5GW電池+10GW組件)預計2023年4月達産;從轉換效率來(lái)看,公司HJT技術(shù)團隊反饋原先的158異質(zhì)結産線(xiàn)平均效率可達25.2%。根據邁爲股份預計,2022年HJT新增産能(néng)大概在20-30GW。根據EnergyTrend預測,HJT電池項目總産能(néng)規劃超過(guò)(guò)150GW。
5.IBC電池:平臺型長(cháng)(cháng)期電池技術(shù)路線(xiàn),國(guó)內仍難實(shí)現大規模量産
5.1.簡(jiǎn)介:采用交叉指式背接觸結構,XBC爲當前熱門(mén)發(fā)(fā)展方向(xiàng)
5.1.1.正面(miàn)無(wú)金屬柵線(xiàn),優(yōu)勢與挑戰并存
IBC電池正面(miàn)的無(wú)金屬柵線(xiàn)設計,最大程度減少光學(xué)(xué)損失。IBC電池(interdigitated back contact)中文名稱(chēng)爲交叉指式背接觸電池。IBC電池正面(miàn)無(wú)金屬柵線(xiàn),發(fā)(fā)射極和背場(chǎng)以及對(duì)應的正負金屬電極呈叉指狀集成(chéng)在電池的背面(miàn),這(zhè)種(zhǒng)獨特結構避免了金屬柵線(xiàn)電極對(duì)光線(xiàn)的遮擋,結合前背表面(miàn)均采用金字塔結構和抗反射層,最大程度地利用入射光,相較于PERC等其他技術(shù)路線(xiàn)的電池減少了更多的光學(xué)(xué)損失,具有更高的短路電流,有效提高IBC太陽(yáng)電池的光電轉換效率。電池前表面(miàn)收集的載流子要穿過(guò)(guò)襯底遠距離擴散至背面(miàn)電極,故IBC電池一般采用少子壽命更高的N型單晶矽襯底。
4)2017年-至今:IBC技術(shù)形成(chéng)三大分支化路線(xiàn)。隨著(zhù)(zhe)工藝成(chéng)熟和設備成(chéng)本下降,IBC電池逐漸形成(chéng)了三大工藝路線(xiàn):a)以SunPower爲代表的經(jīng)(jīng)典IBC電池工藝;b)以ISFH爲代表的POLO-IBC(集成(chéng)光子晶體的多晶矽氧化物叉指背接觸)電池工藝;c)以KANEKA爲代表的HBC(IBC與HJT技術(shù)結合)電池工藝。2021年黃河水電建成(chéng)了中國(guó)首條IBC電池量産線(xiàn),産能(néng)200MW,平均效率突破24%。2022年ISFH設計的POLO-IBC電池進(jìn)(jìn)一步打破了IBC電池的效率極限,通過(guò)(guò)改進(jìn)(jìn)鈍化轉換效率有望提高到29.1%。
IBC電池工藝流程相對(duì)複雜,核心要解決制備指狀間隔排列的PN區、金屬化接觸和柵線(xiàn)的問(wèn)題。在電池背面(miàn)印刷一層含硼的叉指狀擴散掩膜層,硼經(jīng)(jīng)過(guò)(guò)擴散之後(hòu)在N型襯底背部形成(chéng)P+發(fā)(fā)射極,未印刷掩膜的區域,經(jīng)(jīng)過(guò)(guò)磷擴散後(hòu)形成(chéng)N+區。在電池前表面(miàn)制備金字塔狀絨面(miàn)來(lái)增強光的吸收,同時(shí)在前表面(miàn)形成(chéng)前表面(miàn)場(chǎng)(FSF)。前表面(miàn)多采用SiNx的疊層鈍化減反膜,背面(miàn)采用SiO2、AlOx、SiNx等鈍化層或疊層,最後(hòu)在背面(miàn)選擇性地形成(chéng)P和N的金屬接觸。
2)FSF:在電池前表面(miàn)進(jìn)(jìn)行磷摻雜,形成(chéng)前表面(miàn)場(chǎng)結構(FSF),該結構的特點(diǎn)是在電池前表面(miàn)形成(chéng)高濃度的摻雜,與高電阻率的矽襯底形成(chéng)N+/N高低結,産生自上而下的電場(chǎng),驅使空穴向(xiàng)下運輸,電子向(xiàng)上運輸,從而降低少數載流子的表面(miàn)複合,起(qǐ)到良好(hǎo)的鈍化作用,有利于效率提升。
5.2.轉換效率:經(jīng)(jīng)典IBC效率溢價(jià)難以覆蓋成(chéng)本溢價(jià),TBC+HBC吸引産業(yè)轉型
IBC電池在當前各電池技術(shù)效率最高,國(guó)際上SunPower處于領(lǐng)先地位。自1985年以來(lái),美國(guó)SunPower聚焦于研發(fā)(fā)IBC電池,是首個(gè)能(néng)夠實(shí)現量産IBC電池的公司。自推出一代IBC電池後(hòu),SunPower不斷往兩(liǎng)個(gè)方向(xiàng)升級IBC電池技術(shù):1)更簡(jiǎn)化的制程,及更低成(chéng)本工藝;2)更好(hǎo)的鈍化技術(shù)。從SunPower最新披露信息來(lái)看,其最新一代IBC電池,已吸收了TOPCon電池鈍化接觸的技術(shù)優(yōu)點(diǎn),保留了銅電極工藝,量産工藝已經(jīng)(jīng)簡(jiǎn)化,成(chéng)本在可接受範圍,轉換效率達到25%以上。
IBC效率溢價(jià)難以覆蓋成(chéng)本溢價(jià),TBC/HBC路線(xiàn)逐漸成(chéng)型。2021年,PERC單晶電池平均轉換效率已到23.1%,TOPCon電池和HJT電池平均轉換效率分別達到24.0%和24.2%,經(jīng)(jīng)典IBC電池獲取的效率溢價(jià),難以覆蓋其成(chéng)本溢價(jià),故經(jīng)(jīng)典IBC工藝路線(xiàn)競爭力逐漸衰弱。在此背景下,IBC電池慢慢成(chéng)爲了一種(zhǒng)平臺型電池技術(shù),廠(chǎng)商在該技術(shù)上結合TOPCon和HJT的特點(diǎn),IBC電池逐漸形成(chéng)了三大工藝路線(xiàn):1)以SunPower爲代表的經(jīng)(jīng)典IBC電池工藝;2)以ISFH爲代表的POLO-IBC電池工藝;由于POLO-IBC工藝複雜,低成(chéng)本的同源技術(shù)TBC電池工藝(TOPCon-IBC)更具優(yōu)勢;3)以Kaneka爲代表的HBC電池工藝(IBC-SHJ)。
HJT+IBC=HBC,當前晶矽電池研發(fā)(fā)效率的最高水平。HBC工藝即在矽片表面(miàn)采用本征非晶矽進(jìn)(jìn)行鈍化,在背面(miàn)分別采用N型和P型的非晶矽薄膜形成(chéng)異質(zhì)結,該結構充分利用了非晶矽優(yōu)越的表面(miàn)鈍化性能(néng),并結合了IBC結構沒(méi)(méi)有金屬遮擋的優(yōu)點(diǎn),有效提升電池轉換效率。從HBC量産效率來(lái)看,根據普樂(lè )科技,HBC電池量産轉換效率達25%~26.5%。從HBC最高效率來(lái)看,2017年,Kaneka將(jiāng)HBC電池世界紀錄刷新到26.63%,這(zhè)也是迄今爲止晶矽太陽(yáng)能(néng)電池研發(fā)(fā)效率的最高水平。IBC與非晶矽鈍化技術(shù)的結合是未來(lái)IBC電池效率提升的方向(xiàng)之一。
TOPCon+IBC=TBC,極具性?xún)r(jià)比的IBC衍生工藝路線(xiàn)。將(jiāng)TOPCon鈍化接觸技術(shù)與IBC相結合,即是TBC電池,又名POLO-IBC電池。多晶矽氧化物(POLO層)選擇鈍化接觸技術(shù)是通過(guò)(guò)生長(cháng)(cháng)SiO2和沉積本征多晶矽,采用高溫退火方式使正背面(miàn)SiO2鈍化薄層形成(chéng)局部微孔,通過(guò)(guò)微孔和隧穿特性實(shí)現電流的導通。因此,將(jiāng)POLO技術(shù)用于正面(miàn)無(wú)遮擋的IBC太陽(yáng)電池,能(néng)在不損失電流的基礎上提高鈍化效果和開(kāi)(kāi)路電壓,獲得更高的光電轉換效率。從TBC量産效率來(lái)看,根據普樂(lè )科技,TBC電池量産轉換效率達24.5%~25.5%。從TBC最高效率來(lái)看,Fraunhofer創(chuàng )下實(shí)驗室最高轉換效率記錄26.1%。
從轉換效率來(lái)看,TBC技術(shù)和HBC技術(shù)均優(yōu)于經(jīng)(jīng)典IBC技術(shù)。根據普樂(lè )科技,經(jīng)(jīng)典IBC的量産效率在23.5%-24%之間,TBC在24.5%-25.5%之間,HBC在25%-26.5%之間,實(shí)驗室中的效率分別能(néng)夠達到25.2%,26.1%,26.63%。TBC技術(shù)和HBC技術(shù)在轉換效率層面(miàn)優(yōu)于經(jīng)(jīng)典IBC技術(shù)。
5.3.成(chéng)本端:精簡(jiǎn)工藝步驟和降低制造成(chéng)本是降本核心,XBC降本路線(xiàn)與融合前的技術(shù)具有相關(guān)性
精簡(jiǎn)工藝步驟、降低制造成(chéng)本,是實(shí)現IBC電池産業(yè)化的關(guān)鍵因素。IBC電池隻需背面(miàn)印刷銀漿,銀漿耗量比TOPCon和HJT電池低,且背面(miàn)銀漿不必考慮柵線(xiàn)遮擋問(wèn)題,可適當加寬柵線(xiàn),從而降低串聯(lián)電阻。電極背置需要用到掩膜工藝,該工藝對(duì)圖形化和分辨率有一定要求,産線(xiàn)上要增加背部掩膜、開(kāi)(kāi)槽、激光消融等圖形化處理設備,根據普樂(lè )科技測算,目前經(jīng)(jīng)典IBC的設備投資額約爲3億元/GW左右。
5.4.産能(néng)規劃:頭部廠(chǎng)商布局,預計今年少量産能(néng)落地
頭部電池廠(chǎng)商開(kāi)(kāi)始布局XBC電池,預計今年能(néng)看到少量産能(néng)落地。具體來(lái)看,隆基綠能(néng)計劃在泰州隆基電池廠(chǎng)內,在原年産2GW單晶電池項目的基礎上對(duì)生産線(xiàn)進(jìn)(jìn)行技術(shù)提升改造,改建成(chéng)8條HPBC(即P-IBC電池)高效單晶電池産線(xiàn),4GW的電池片産線(xiàn)預計將(jiāng)于今年8月投産。愛(ài)旭股份于2021年發(fā)(fā)布了具有自主知識産權的基于IBC技術(shù)的ABC電池,目前已有800MW的實(shí)驗及中試線(xiàn)産能(néng),共計規劃N型ABC産能(néng)52GW(珠?;?6GW+義烏基地26GW),其中珠?;?.5GW量産項目正有序推進(jìn)(jìn)中,預計今年三季度可建成(chéng)投産。
(研報:東亞前海證券 段小虎)