光伏行业专题报告:解析光伏电池技术
时间:2022-6-25 05:41       作者:华为何为俣       阅读:5733       频道:元宇宙专题VR分析前沿科技报告


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01.产业趋势:P型仍占主流,N型有望接棒


P型电池:PERC占据主流,接近转化效率极限
晶硅电池技术是以硅片为衬底,根据硅片的差异区分为P型电池和N型电池。两种电池发电原理无本质差异,都是依据PN结进行光生载 流子分离。在P型半导体材料上扩散磷元素,形成n+/p型结构的太阳电池即为P型电池片;在N型半导体材料上注入硼元素,形成p+/n 型结构的太阳电池即为N型电池片。
P型电池制作工艺相对简单,成本较低,主要是BSF电池和PERC电池。2022年之前,BSF电池占据90%市场;2022年之后,PERC电池 接棒起跑,到2022年,PERC电池在全球市场中的占比已经超过85%。
PERC(PassivatedEmitterRearCell)——发射极及背面钝化电池技术,与常规电池不同之处在于背面,PERC电池采用了钝化膜来钝 化背面,取代了传统的全铝背场,增强光线在硅基的内背反射,降低了背面的复合速率,从而使电池的效率提升0.5%-1%。2022年,规模化生产的单/多晶电池平均转换效率分别达到22.7%和19.4%。P型单晶电池均已采用PERC技术,平均转换效率同比提升 0.5个百分点。
由于P型单晶硅PERC电池理论转换效率极限为24.5%,导致P型PERC单晶电池效率很难再有大幅度的提升;并且未能彻底解决以P型硅 片为基底的电池所产生的光衰现象,这些因素使得P型硅电池很难有进一步的发展。 与传统的P型单晶电池和P型多晶电池相比,N型电池具有转换效率高、双面率高、温度系数低、无光衰、弱光效应好、载流子寿命更长 等优点。
N型电池:优势明显,有望接棒
N型硅片的少数载流子寿命比P型硅片高至少一个数量级,将会极大提升电池的开路电压和短路电流,带来更高电池转化效率; N型硅片掺入的主要是磷元素,在材料中不会形成硼氧原子对(即P型电池光致衰减的主要原因),因而N型硅电池和组件的初始光诱导衰 减几乎为零; N型电池温度系数低,发电量增大。传统P型电池温度每升高一度,输出功率就降低0.4%~0.5%,而N型电池的温度系数只有前者的一 半左右; N型电池弱光条件下光谱响应好,双面电池实现“双核发电”,在合适的装机环境下发电量能提高20%~30%。

02 TOPCon:揭开电池技术变革大幕,有望享受技术溢价


工艺技术
TOPCon(TunnelOxidePassivatedContact)——氧化层钝化接触。正面与常规N型太阳能电池或N-PERT太阳能电池没有本质区 别,电池核心技术是背面钝化接触。电池背面由一层超薄氧化硅(1~2nm)与一层磷掺杂的微晶非晶混合Si薄膜组成,二者共同形成钝 化接触结构。钝化性能通过退火过程进行激活,Si薄膜在该退火过程中结晶性发生变化,由微晶非晶混合相转变为多晶。在850°C的退 火温度下退火,iVoc>710mV,J0在9-13fA/cm2,显示了钝化接触结构优异的钝化性能。
该结构可以阻挡少子空穴复合,提升电池开路电压及短路电流。超薄氧化层可以使多子电子隧穿进入多晶硅层同时阻挡少子空穴复合, 超薄氧化硅和重掺杂硅薄膜良好的钝化效果使得硅片表面能带产生弯曲,从而形成场钝化效果,电子隧穿的几率大幅增加,接触电阻下 降,提升了电池的开路电压和短路电流,从而提升电池转化效率。
优势
优势一:理论转换效率上限高,性能优异。TOPCon是N型电池工艺基础上研发出的隧穿氧化层钝化接触 。(TunnelOxidePassivatedContact)技术,该技术可大幅度的提升N型电池的VOC和转换效率。根据理论计算,钝化接触太阳能电池 的潜在效率(28.7%)最接近晶体硅太阳能电池理论极限效率(29.43%),且远高于PERC的24.5%。目前TOPCon主流电池量产效率约23.7- 23.8%,部分电池厂商宣布已实现24.0%+;包括中来在内的许多公司已经将实验室效率做到了25%以上,前沿前景广阔。
优势二:有望延长PERC产线生命周期,边际投资成本低。TOPCon与PERC均为高温工艺,且最大程度保留和利用现有传统P型电池设 备制程,主要新增多晶硅/非晶硅沉积的LPCVD/PECVD/PVD设备、硼扩散等设备。两者电池技术和产线设备兼容性较高,TOPCon可 以从PERC产线升级,不需要新建产线。若考虑从PERC产线升级,只需增加0.5-1亿元/GW的投资额,边际投资成本优于其他N型技术 路线。在面临大规模PERC产线设备资产折旧计提压力下,改造为TOPCon有利于降低沉没风险。老旧PERC产能改扩建TOPCon,可采用管式LPCVDn-poly-Si或者PECVDn-poly-Si技术路线。前沿预计随着非硅成本的下降及良率、效率等进一步提升,TOPCon将快速缩小与PERC之间的成本差距,成为新一代的主流产品。
产业化进度——良率&经济性
良率仍有待提高。TOPCon整体良率在93-95%;而PERC电池良率在97-98%之间。良率较低的原因:1)加工工艺步骤较多、且目前技术路线并不统一,多条技术路线并行。2)高温工艺导致翘曲、碎片等问题较为突 出,LP隧穿氧化的均匀性导致暗片、脏污的情况出现也降低了良率表现。3)隧穿氧化工艺过程中出现卡槽印等。以上问题有望随着产 业化加速逐步改善。
成本结构:TOPCon电池的单瓦成本构成主要是硅片、银浆和折旧,分别占成本比例为62.5%、15.8%、3.7%。
银浆:据PVInfolink统计,截至2022年底,TOPCon电池非硅成本已经有能力低于RMB0.3/W,对比PERC电池片目前平均RMB0.21- 0.23/W仍有差距,主要是银浆单耗较高,TOPCon正反面均使用银浆,M6TOPCon电池使用银浆约130mg较PERCM6电池高出约 60mg;但是现在背面可用银铝浆来降低成本。
折旧:目前PERC单GW设备投资在1.2-1.5亿元;TOPCon约2-2.5亿元。主要新增设备为非晶硅沉积的LPCVD/PECVD设备以及镀膜设 备。前沿随着设备效率提升、设备价格下降、以及生产规模提高,折旧成本有望进一步下滑。
产业化进度——产能规划
各厂商加速TOPCon产能规划,产业化进程推进。国内企业近两年来PERC新建产线基本预留TOPCon改造空间,以备后续升级。诸多 一线大厂PERC产能已经逐渐停止,目前扩产计划也纷纷转向N型技术产线建设。进入二季度,包括晶科在内的多家厂商TOPCon产能开 始释放,有望享受技术溢价。
主要企业:隆基、中来、晶科、天合光能、东方日升等。多为垂直一体化企业,因PERC电池现存产能较大,2022年来新增PERC产能基 本预留TOPCon接口以备后续升级。
转换效率:中来股份是最早布局TOPCon的企业之一,目前其TOPCon电池量产批次平均转换效率为24.2%,部分产品达到24.5%。目 前TOPCon公布的最高实验室转换效率为2022年中来公布的25.4%。而晶科能源是TOPCon最早将实现GW级出货的企业,预计二季度 晶科能源单季度TOPCon出货量有望超1GW。
产能规划:参考PVInfoLink和集邦新能源统计,截至2022年底,全行业TOPCon产能有望超40GW,预计到2023年底将达约80GW。

03.HJT:技术突破性强,降本路径清晰


工艺技术
HJT(HeterojunctionwithIntrinsicThin-film)——本征薄膜异质结电池。具备对称双面电池结构,中间为N型晶体硅。正面依次 沉积本征非晶硅薄膜和P型非晶硅薄膜,从而形成P-N结。背面则依次沉积本征非晶硅薄膜和N型非晶硅薄膜,以形成背表面场。鉴于非 晶硅的导电性比较差,因此在电池两侧沉积透明导电薄膜(TCO)进行导电,最后采用丝网印刷技术形成双面电极。
优势
优势一:工艺流程短。HJT电池工艺主要包括4个环节:制绒、非晶硅沉积、TCO沉积、丝网印刷;远少于PERC(10个)和TOPCON (12-13个)。其中,非晶硅沉积主要使用PECVD方法。TCO薄膜沉积目前有两种方法:RPD(反应等离子体沉积)和PVD(物理化学气 象沉积)。住友重工拥有RPD的专利,而PVD技术发展成熟,提供设备的厂家较多。
优势二:转换效率高。主要得益于N型硅衬底以及非晶硅对基底表面缺陷的双重钝化作用。目前量产效率普遍已在24%以上;25%以上 的技术路线已经非常明确,即在前后表面使用掺杂纳米晶硅、掺杂微晶硅、掺杂微晶氧化硅、掺杂微晶碳化硅取代现有的掺杂;HJT未 来叠加IBC和钙钛矿转换效率或可提升至30%以上。
优势三:无LID与PID,低衰减。由于HJT电池衬底通常为N型单晶硅,而N型单晶硅为磷掺杂,不存在P型晶硅中的硼氧复合、硼铁复 合等,所以HJT电池对于LID效应是免疫的。HJT电池的表面沉积有TCO薄膜,无绝缘层,因此无表面层带电的机会,从结构上避免PID 发生。HJT电池首年衰减1-2%,此后每年衰减0.25%,远低于PERC电池掺镓片的衰减情况(首年衰减2%,此后每年衰减0.45%),也因此 HJT电池全生命周期每W发电量高出双面PERC电池约1.9%-2.9%。
产业化进度——经济性
当前高成本是限制HJT技术大规模产业化的重要因素。1、HJT与PERC工艺路线完全不同,无法延伸,只能新投产线,且HJT与主流的PERC生产设备不兼容,因此PECVD等制膜和真空设备的投 入会给企业带来较高的转换成本。2、HJT电池成本结构:硅片成本、非硅材料(银浆、靶材、气体及化学品等)、设备折旧、其他制造费用(包括人工、动力成本)等。HJT电池成本较高主要体现在浆料、靶材以及设备环节。1)由于HJT所需低温银浆的导电性能相对更弱,且焊接拉力偏低,因此耗用量较 大,同时低温银浆的国产化率较低,使得其价格目前大幅高于高温银浆。2)HJT需要额外沉积透明导电层,所用的ITO(PVD路线)或 IWO(RPD路线)等靶材价格较高。3)HJT设备投资较高。目前HJT设备投资额为4~4.5亿元/GW,为PERC(约1.5~2亿元/GW)的2倍 以上。
降本路径——设备降本
2022年以前HJT设备主要由梅耶博格、YAC、AMAT、日本住友等外资品牌提供,设备成本约10-20亿/GW;2022年迈为、钧石、捷 佳伟创等推进进口替代,设备成本降至5-10亿/GW;2022年欧洲老牌龙头梅耶博格退出竞争;20年HJT设备成本降至5亿/GW。目前国内设备商迈为、捷佳、钧石已具备了HJT整线设备供应能力;随着HJT设备国产化推进,当前投资成本已经降到4.5亿元/GW左 右,但是相较PERC的1.5-2亿元/GW和TOPCon的2-2.5亿元/GW仍高出较多,高设备投资成本不仅影响前期投入积极性,也意味着后 期非硅成本中折旧更高,另外,目前HJT生产商规模化生产均不足,导致HJT的折旧成本高出PERC至少0.03元/W。

04.IBC:潜力较大,有望迎来发展


工艺技术
IBC(InterdigitatedBackContact)——交叉指式背接触电池技术。将P/N结、基底与发射区的接触电极以交指形状做在电池背面。核心技术:如何在电池背面制备出质量较好、成叉指状间隔排列的p区和n区。通过在电池背面印刷一层含硼的叉指状扩散掩膜层,掩膜 层上的硼经扩散后进入N型衬底形成p+区,而未印刷掩膜层的区域,经磷扩散后形成n+区。前表面制备金字塔状绒面来增强光的吸收, 同时在前表面形成前表面场(FSF)。使用离子注入技术可获得均匀性好、结深精确可控的p区和n区,但成本较高尚未产业化。IBC电池 制程工艺复杂,多次使用掩膜、光刻等半导体技术,成本几乎为常规电池的两倍。
优劣势
优势:1)电池正面无栅线遮挡,可消除金属电极的遮光电流损失,实现入射光子的最大利用化,较常规太阳电池短路电流可提高7%左 右;2)由于背接触结构,不必考虑栅线遮挡问题,可适当加宽栅线比例,从而降低串联电阻且有高的填充因子;3)可对表面钝化及表 面陷光结构进行最优化的设计,可得到较低的前表面复合速率和表面反射,从而提高Voc和Jsc;4)外形美观,尤其适用于光伏建筑一 体化,具有较好的商业化前景;
劣势:1)工艺流程复杂,需要在电池背面制备出呈叉指状间隔排列的P区和N区,以及在其上面分别形成金属化接触和栅线,重点工艺 包括扩散掺杂、钝化镀膜、金属化栅线三个方面,需要多次的掩膜和光刻技术,为了防止漏电,p区和n区之间的gap区域也需非常精 准,对电池厂商的工艺研发能力要求较高。2)对基体材料要求较高,需要较高的少子寿命:因为IBC电池属于背结电池,为使光生载流 子在到达背面p-n结前尽可能少的或完全不被复合掉,就需要较高的少子扩散长度。3)IBC复杂的工艺步骤使其制作成本远高于传统晶 体硅电池;由于主流PERC电池转换效率已到23%,TOPCon电池和HJT电池也能到24.5%,IBC电池获取的效率溢价,难以覆盖增加的 成本,竞争力不明显。
产业化进度
unPowery引领:1975年,Schwartz和Lammert首提背接触式光伏电池概念;1984年,斯坦福教授Swanson研发了IBC类似的点接 触(PointContactCell,PCC)太阳电池,在聚光系统下转换效率19.7%;1985年Swanson教授创立SunPower;2004年, SunPower菲律宾工厂(25MW产能)规模量产第一代IBC电池,转换效率最高21.5%,组件价格5-6美金/瓦。
SunPower最近一代IBC电池:吸收了TOPCon电池钝化接触的技术优点,保留了铜电极工艺;从电池结构来看,量产工艺已经简化, 转换效率达到25%以上。


05. 投资报告


光伏电池,后浪奔袭
技术迭代一直以来是推动光伏行业发展的关键。过去数年是PERC电池应用快速扩张阶段,进入2022年,光伏电池片的技术迭代正式 迎来了新的时代,TOPCon、HJT、IBC等转换效率更高的电池技术将从实验室迈向产业链,在形成投产-规模化效应降本-持续扩产的 良性循环过程中,享受技术红利的企业有望迎来市占率提升+享受技术溢价的双重优势。
重点公司报告
隆基股份:一体化战略持续推进,研发与扩产齐头并进
加速产能扩张,稳固行业龙头地位。2022Q1-Q3公司组件出货27GW左右,其中外销25-26GW。单三季度组件出货10GW左右,环比基本持平,其中外销规模 9.0GW左右。公司自2022年首次成为组件出货龙头后,目前龙头位置稳固,随着组件行业集中度持续提升,预计2022年公司组件产能将超80GW,出货将超 60GW,持续强化龙头地位;与此同时,公司硅片和电池片产能仍在扩张,一体化战略持续推进。
高瞻远瞩,布局下一代技术。2022年1月,泰州隆基乐叶年产4GW单晶电池项目环评信息披露,隆基计划对原年产2GW单晶电池项目的生产线进行改造,改建成8条 HPBC高效单晶电池产线,预计形成年产4GW的电池片产线,此技术在P型硅片的基础上结合TOPCon及IBC技术,在电池背面构建指叉状PN结,并运用TOPCon隧穿 钝化原理,而IBC具有正面无栅线,转换效率高的特点,公司有望通过此技术形成产品差异化,建立新的护城河。此外,隆基在HJT和TOPCon技术中均有布局,并且 多次刷新转化效率世界纪录,彰显龙头实力。
晶科能源:一体化组件领先企业,N型引领行业技术变革
累计出货量稳居第一,一体化产能持续扩张。截至2022年9月30日,公司累计出货量达80GW,为全球第一。公司2022年的江西上饶、云南楚雄、安徽合肥等电 池片项目投产,产能均衡提升,一体化效率提高。截至2022年底公司拥有硅片产能32.5GW,电池片24GW(其中N型硅片0.9GW),组件产能45GW,预计出货 量达到23.55GW,位列全球前列。
N型TOPCon电池片加速投产,具备先发优势。公司是国内最早对N型组件进行量产发布的一线组件制造商。2022年公司投资建立了N型电池的中试线,2022年投 资GW级别N型电池试验产线,2022年公司的实验室N型单晶电池效率达到25.4%,且目前已实现稳定量产效率24.5%,良率达99%。公司在合肥的16GW的N型 TOPCon电池项目一期8GW已经于今年一月顺利下线,预计2022年内公司TOPCon产能达到16GW,出货超10GW。相较于Perc,N型TOPCon在效率方面提升约 5%-6%,发电性能方面提升约3%-4%,新技术的先发优势能够让产品更具竞争力的同时让公司享受到新技术的溢价。

报告节选:



















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来源:民生证券

作者:邓永康、郭彦辰







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