《电力设备与新能源行业高效太阳能电池系列深度(一):平价时代效率为王新技术迭代大势所趋-20220318(37页).pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《电力设备与新能源行业高效太阳能电池系列深度(一):平价时代效率为王新技术迭代大势所趋-20220318(37页).pdf(37页珍藏版)》请在三个皮匠报告上搜索。
1、 - 1 - 市场数据市场数据(人民币)人民币) 市场优化平均市盈率 18.90 国金电力设备与新能源指数 2851 沪深 300 指数 4266 上证指数 3251 深证成指 12329 中小板综指 12355 相关报告相关报告 1.系统装机同比翻番,建议关注板块投资机会-燃料电池行业月报 ,2022.3.16 2.燃料电池工信部推荐车型目录月报-燃料电池行业月报 ,2022.3.14 3.欧盟能源供应加速“脱俄”,全面利好风光氢-新能源与电力设备行. ,2022.3.13 4.轻总量重结构,结构性行情将徐图展开-2022-03-13 行. ,2022.3.13 5.2 月终端景气度向上,原
2、材扰动不改中期趋势-2022-03-. ,2022.3.6 平价时代平价时代效率效率为王,为王,新技术新技术迭代大势所趋迭代大势所趋 高效太阳能电池系列深度(一)高效太阳能电池系列深度(一) 核心逻辑核心逻辑 平价上网时代,平价上网时代,降本增效仍然是推进光伏进一步发展的关键因素。降本增效仍然是推进光伏进一步发展的关键因素。从全球范围看,目前光伏在大部分国家和地区已经成为成本最低的发电形式,实现了发电侧平价上网。但由于光伏发电存在间歇性、随机性、波动性,因而接入到现有电网中需要其它电源为它进行调峰调频,或者增配大规模长时储能,所以从电力系统角度看,光伏还没有实现平价,还需要进一步降本增效。因此
3、为了建设以新能源为主体的新型电力系统,必须追求更高效、成本更低的为了建设以新能源为主体的新型电力系统,必须追求更高效、成本更低的新型技术,新型技术,其中主要环节当属高效电池技术的进步及应用其中主要环节当属高效电池技术的进步及应用。 我们认为当下我们认为当下高效电池技术的迭代高效电池技术的迭代是是 LCOE进一步下降和光伏产业进一步发进一步下降和光伏产业进一步发展的必然趋势。展的必然趋势。从当前时间点开始,各家企业新一代高效电池的量产/中试产线将进入密集的设备交货和调试阶段,同时多家设备企业的设备调试参数也即将进行披露,22 年初即将开始面向终端市场的直接竞争。这一轮主流技术路线从 P型向 N型
4、的切换,对主产业链、辅材耗材、设备等领域竞争格局也会产生重要的影响。我们预计从我们预计从 2022 年起,年起,N 型产品将会呈规模化逐渐推型产品将会呈规模化逐渐推向市场,对向市场,对 PERC 进行替代。进行替代。 除关注各家企业的 TOPCon/HJT 的最高量产效率之外,仍不能忽视:技术路线本身是否适合当下大规模量产、良率能否进一步提高、提效与降本路线是否快速、可行?本篇报告结合本篇报告结合主流主流 N 型技术的特点及行业实际情况,对于型技术的特点及行业实际情况,对于当前当前 N 型技术的主要技术路线、技术难点、发展情况做出深入分析,并且根型技术的主要技术路线、技术难点、发展情况做出深入
5、分析,并且根据当下产业实际情况对据当下产业实际情况对 N 型技术的产业化进程做出了合理推断。型技术的产业化进程做出了合理推断。 TOPCon 受益于产业内一定规模的存量受益于产业内一定规模的存量 PERC 产能升级,预计产能升级,预计占据更多市占据更多市场份额场份额。N 型技术路线的竞争实质上是效率和成本的竞争,因此在 PERC 技术全球仍占主流且产能过剩、TOPCon 与 HJT 技术效率(主要反映到组件端)尚打平手的前提下,成本的高低对于 N 型技术的选择尤为重要。由于2019 年后的新建 PERC 产线基本都预留了升级为 TOPCon 的布局空间,且TOPCon 单 GW 新建及升级投资
6、较低,对比 HJT 的单 GW 投资 4-4.5 亿元成本优势显著,后续还可以通过良率提高和国产化银浆的替代进一步降本,因此在未来 2-3 年内预计 TOPCon 会占据 N型电池市场主流地位。 远期来看远期来看 HJT 更符合产业技术发展趋势。更符合产业技术发展趋势。与 TOPCon 相比,HJT 降本增效路线更为清晰。HJT 对硅片薄片化、未来钙钛矿等叠层技术的兼容性更佳,因而提效降本空间更大。随着设备投资的进一步下降、效率的持续提升、硅片的减薄、微晶硅技术的导入、退火吸杂技术的普及、低温银浆及银包铜技术的成熟,HJT 的成本有望得到快速下降。当 HJT 技术的单瓦生产成本与TOPCon
7、技术无太大差异(预计在 2023-2024 年) ,且下游对银包铜、电镀等新型金属化技术验证取得突破时,HJT 的市场份额有望获得迅速提升。 投资建议投资建议 重点推荐:1)在新型电池技术领域研发及量产布局领先的一体化组件龙头:隆基股份隆基股份、晶科能源、晶科能源等等;2)专业化电池厂商:通威股份通威股份等等;3)受益于N型技术变革的设备公司:迈为股份、金辰股份迈为股份、金辰股份等等。 风险提示风险提示 新技术发展不及预期;降本速度不及预期;量产速度不及预计。 3268330243364370422220318国金行业 沪深30
8、0 2022 年年 03 月月 18 日日 新能源与汽车研究中心新能源与汽车研究中心 电力设备与新能源行业研究 买入(维持评级) 行业深度研究行业深度研究 证券研究报告 行业深度研究 - 2 - 敬请参阅最后一页特别声明 内容目录内容目录 1、平价时代仍需降本增效,N型电池技术迭代加速.5 1.1 从产业链不同环节的角度看待提效的必要性 .5 1.2 光电转换效率的影响因素 .7 1.3 复盘:PERC 迭代 BSF 过程中伴随着多个关键环节的共同进步 .7 1.4 PERC 技术效率渐近极限,主流高效电池技术即将开始产业化进程.10 2、 TOPCon:现有产线兼容+极限效率高,PERC 升
9、级首选.12 2.1 结构更具优势,效率提升明显 .12 2.2 工艺步骤与 PERC 相匹配、可在原有产线升级 .13 2.3 工艺流程相对复杂、技术路线细节定型难度高 .15 2.4 较 PERC 成本稍高,但降本路径清晰 .17 2.5 良率与效率有待进一步提升 .19 3、HJT:工艺步骤简洁+效率高,备受产业青睐 .20 3.1 结构上兼具晶硅与薄膜电池优势 .20 3.2 工艺步骤简洁、量产化路线清晰 .22 3.3 设备与耗材国产替代快、后续降本增效空间大 .25 3.4 产能规划有待进一步落地 .28 4、未来已来,静候 N型量产佳音.29 5、相关标的推荐 .32 6、风险提
10、示 .37 图表目录图表目录 图表 1:2010-2020 全球光伏 LCOE变动趋势 .5 图表 2:未来两年内光伏 LCOE加速下降 .5 图表 3:2021 年各省(区、市)新建光伏发电、风电项目指导价基本达到平价 .5 图表 4:某地面电站费用构成.6 图表 5:LCOE公式拆分详解.6 图表 6:影响太阳能电池效率的主要因素 .7 图表 7:PERC 技术市场占比不断提升.7 图表 8:PERC 技术较 BSF 技术效率有明显提升 .7 图表 9:2018 年初单晶与多晶硅片价差快速缩小 .8 图表 10:2016 年起电池设备投资成本快速下降.8 图表 11:PERC 与 BSF
11、电池片高价差维持时间较长 .9 图表 12:2018 年初 PERC 与 BSF 组件端价差快速缩小.9 图表 13: PERC 在结构上更利于提升转换效率 .10 图表 14:PERC 电池产线单位投资成本下降速度超预期 .10 2YlWhW9YoWrUqRnPpMaQdNaQpNmMmOmOfQnNpMeRtRtR6MrRzQxNsQsNwMmRrM行业深度研究 - 3 - 敬请参阅最后一页特别声明 图表 15:单晶 PERC 世界记录效率接近极限效率. 11 图表 16:单晶 PERC 量产效率发展历程. 11 图表 17:基于 P 型硅片的 TOPCon 技术实验室转化效率较 N 型并
12、无显著差异 . 11 图表 18:光伏电池技术路线图及新一代技术类型.12 图表 19:TOPCon 电池结构 .13 图表 20:TOPCon 电池极限效率可达 28.7% .13 图表 21:TOPCon 电池技术路线调研 .14 图表 22:部分设备厂商技术路线 .14 图表 23:N型与 P型电池载流子输运机制对比 .15 图表 24:氧化层制备方法优缺点对比 .15 图表 25:LPCVD 与 PECVD 工作原理对比 .16 图表 26:LPCVD、PECVD 薄膜沉积技术对比 .16 图表 27:绕镀问题严重影响电池性能 .17 图表 28:常规硼扩散材料对比.17 图表 29:
13、磷和硼在不同温度下固溶度(atoms/) .17 图表 30:基于当前价格水平下 182 尺寸 TOPCon 电池成本构成 .18 图表 31:TOPCon 与 PERC 在银浆上的使用差异 .18 图表 32:N型 TOPCon 成本下降路径清晰 .19 图表 33:N型 TOPCon 效率进度 .19 图表 34:2021 年 TOPCon 产能规划及量产效率(截至 2021 年底) .20 图表 35:HJT 电池结构拆解 .21 图表 36:HJT 电池量产效率前景高于 PERC、TOPCon .21 图表 37:异质结在不同地区(不同环境温度下)的发电量温升损失均低于PERC.21
14、图表 38:异质结较 PERC 衰减率低.21 图表 39:异质结双面率大于 90% .22 图表 40:异质结弱光效应较 PERC 更为优异.22 图表 41:HJT 制作流程及主要设备厂商 .22 图表 42:晋能制绒清洗工艺流程 .23 图表 43:日本 YAC 清洗制绒设备流程 .23 图表 44:市场上主要非晶硅沉积设备供应商.23 图表 45:分层镀膜技术图解 .24 图表 46:市场上主要 PVDRPD 设备供应商 .25 图表 47:异质结主要降本方向及驱动因素 .25 图表 48:HJT 量产效率提升路线 .26 图表 49:基于当前价格水平下 182 尺寸 HJT 电池成本
15、构成 .26 图表 50:p-i-n 微晶硅结构示意图 .27 图表 51:p-i-n 电池能带结构图(理想) .27 图表 52:华晟新能源微晶硅工艺量产效率可达 25.23% .27 行业深度研究 - 4 - 敬请参阅最后一页特别声明 图表 53:吸杂原理图.28 图表 54:吸杂技术物理过程 .28 图表 55:吸杂技术路线 .28 图表 56:2021 年以来 HJT 产能布局及效率(截至 2021 年底) .29 图表 57: 2020 年底至今 HJT 产线主要招标 .29 图表 58:2021 年各电池技术路线效率发展情况.30 图表 59:N型设备企业最新进展 .30 图表 6
16、0:2021-2025 年 N型设备市场空间测算 .31 图表 61:基于不同与面积相关 BOS成本的 N型组件合理价差测算 .31 图表 62:2021-2022 年有望量产的 TOPCon 组件 .31 图表 63:2021-2022 年有望量产的 HJT 组件.32 图表 64:公司在各种技术路线上效率均处于行业领先.33 图表 65:公司在 HJT 研发效率各项影响指标上领先行业 .33 图表 66:公司 TOPCon 电池转换效率多次打破世界纪录.33 图表 67: Tiger Neo N-TOPCon 组件的发电量优势.33 图表 68:通威合肥 HJT 中试线-电池效率 .34
17、图表 69:通威合肥 HJT 中试线-良率 .34 图表 70:迈为股份异质结高效电池制造整体解决方案.35 图表 71:金辰的管式 PECVD 项目在世界上处于先进水平 .36 图表 72:金辰股份 PECVD 运行效率及关键参数 .36 图表 73:金辰所产出的 N型电池片效率分布收敛性很高 .36 图表 74:捷佳伟创高效电池生产设备 .37 行业深度研究 - 5 - 敬请参阅最后一页特别声明 1、平价时代仍需降本增效,、平价时代仍需降本增效,N 型电池技术迭代加速型电池技术迭代加速 1.1 从产业链不同环节的角度看从产业链不同环节的角度看待提效的必要性待提效的必要性 平价上网时代仍需关
18、注光伏度电成本的下降。平价上网时代仍需关注光伏度电成本的下降。根据国际可再生能源署(IRENA)发布的2020 年可再生能源发电成本报告 ,全球晶硅光伏发电项目加权平均发电成本由 2010 年的约 0.381 美元/度大幅下降至 2020 年的约 0.057 美元/度,下降幅度达到 85%,并预计 2022 年全球太阳能光伏发电的平均成本降至为 0.04 美元,较 2020 年下降 30%,比燃煤发电低27%以上。 图表图表1:2010-2020全球光伏全球光伏LCOE变动趋势变动趋势 图表图表2:未来两年内光伏未来两年内光伏LCOE加速下降加速下降 来源:IRENA、国金证券研究所 来源:I
19、RENA、国金证券研究所 度电成本的快速下降有效的促进了光伏产业的发展,光伏发电也逐渐成为新型电力系统的重要组成部分,但是需要明确的是度电成本还有进一步下降的空间,光伏发电的地位也需要进一步巩固。尤其是在无补贴时代,下游光伏电站对于 IRR 的重视程度进一步加深,促使其上游组件、电池厂商对于通过技术进步降本有着迫切需求。 图表图表3:2021年各省(区、市)新建光伏发电、风电项目指导价年各省(区、市)新建光伏发电、风电项目指导价基本达到平价基本达到平价 来源:国家能源局、国金证券研究所 从从终端收益率的角度看终端收益率的角度看:光伏技术发展与创新的根本目标是促进 LCOE 的降低,对应到典型的
20、应用场景,就是大型地面电站的的 LCOE 降低。以大型地面电站为例,费用主要包括:发电设备、建筑工程费、其他费用、预备费、建设期利息等,这些费用较为固定,难以大幅降低。降本空间较大的主要行业深度研究 - 6 - 敬请参阅最后一页特别声明 是在组件端,组件在总成本中占比达到一半左右,因此是降本的关键环节。组件效率的提升可以通过提升电池转换效率、改进组件端技术等来解决。 图表图表4:某地面电站费用构成:某地面电站费用构成 来源:全国能源信息平台、国金证券研究所 电站运营期内发电量的多少对于 LCOE 的高低产生重要影响。电池转换效率越高,对应到相同规格尺寸的组件,就会拥有更高的功率。同时,在同等功
21、率下,拥有更好发电特性(衰减率、温升系数、双面率、弱光效应等)的电池技术拥有更好的发电量表现。因此为了进一步降低光伏发电的度电成本,必须要进一步提高太阳能电池转换效率、持续提升电池性能,从而提高 IRR 水平。 图表图表5:LCOE公式拆分详解公式拆分详解 来源:sunpower、国金证券研究所 从从产业链中厂商的角度看:产业链中厂商的角度看:光伏电价是下游电站 IRR 的重要影响因素,而IRR 直接影响到下游对光伏产品的需求。根据国家发改委统计,2020 年光伏发电平价上网项目装机规模 33.05GW,相较 2019 年的 14.8GW 有较大增长。对于组件、电池厂商来说,如何同时面对下游光
22、伏电站企业对于较低 LCOE 的追求和上游各环节对利润的挤压是亟待解决的问题。目前来看,通过效率提高提升产品竞争优势、摊薄成本是破局最有效的途径。因此长期来看,组件技术与新型电池技术的结合程度、电池技术的先进性差异大概率成为影响组件和电池企业分化程度的最重要因素。 行业深度研究 - 7 - 敬请参阅最后一页特别声明 1.2 光电转换效率的影响因素光电转换效率的影响因素 光伏发电的发展趋势是提高转化效率和降低成本,其中提高转化效率是降低成本的最重要方式之一。光伏发电转化效率计算如下所示: = 太阳能电池转换效率 是最大输出电功率与相应的输入光功率之比,根据光伏发电转化效率计算公式,能量转换效率
23、与开路电压() 、短路电流()或短路电流密度() 、填充因子()关联最为密切,因此通过技术研发和改进提高上述三个参数的数值是提高太阳能电池转换效率的重要途径。 图表图表6:影响太阳能电池效率的主要因素:影响太阳能电池效率的主要因素 来源:国金证券研究所整理 1.3 复盘复盘:PERC 迭代迭代 BSF 过程中过程中伴随着多个关键环节的共同进步伴随着多个关键环节的共同进步 在光伏行业发展初期,晶硅太阳能电池主要采用了 AI-BSF 电池技术,即常规铝背场电池技术(Aluminium Back Surface Field) 。BSF 太阳能电池技术主要应用在光伏发展早期阶段,虽然 BSF 电池技术
24、成本低廉,但转换效率不高,且技术上有天然缺陷。随着快速拉晶、金刚线切片、薄片化等技术升级的规模应用,单晶开始取代多晶成为主流,由于单晶材料本身的高品质特征、多晶材料本身无法克服的高位错密度和高杂质缺陷,因此单晶相比多晶在转换效率方面具有先天优势。随着 2017 年 PERC 技术的成熟加上单晶成本的快速降低,PERC 技术开始大规模取代 BSF 技术成为太阳能电池主流技术。 图表图表7:PERC技术市场占比不断提升技术市场占比不断提升 图表图表8:PERC技术较技术较BSF技术效率有明显提升技术效率有明显提升 来源:中国光伏产业发展路线图、国金证券研究所 来源:中国光伏产业发展路线图、国金证券
25、研究所 行业深度研究 - 8 - 敬请参阅最后一页特别声明 图表图表9:2018年初年初单晶与多晶硅片价差快速缩小单晶与多晶硅片价差快速缩小 图表图表10:2016年起年起电池设备投资成本快速下降电池设备投资成本快速下降 来源:PV InfoLink国金证券研究所 来源:CPIA、国金证券研究所 回顾 PERC 快速替代 BSF 的历程,可以看到多个关键环节的共同作用: 1、转换效率方面有显著提升。、转换效率方面有显著提升。以 2017 年为例,根据 CPIA 统计,当年主流 BSF P 型多晶黑硅电池平均转换效率为 18.7%,而 PERC P 型单晶电池平均转换效率可达到 21.3%,有
26、2.6%的效率提升。对应到组件端(以 60 片为例) ,有 27W 左右的功率提升。 2、设备投资显著下降。、设备投资显著下降。随着电池生产线关键设备的国产化进程不断加速,设备投资成本下降速度超预期。根据 CPIA 统计,2017 年常规BSF 产线设备投资仍为 5.35 亿元/GW,然而进入 2018 年 PERC 产线设备投资下降至 4.2 亿元/GW,2018 年新建电池产线均为 PERC。 3、单晶与、单晶与多晶实现性价比反转。多晶实现性价比反转。金刚线切割技术的普及使单多晶硅片成本永久性缩小。根据 PV infoLink 统计,2017 年初多晶逐步导入金刚线切割技术,但降本幅度不如
27、单晶。且单晶硅片在拥有更好特性的基础上,2018 年初与多晶硅片的价差进一步减小,加速了单晶硅片的市场份额的迅速提升。 4、组件端实际价差低于合理价差,促使市场乐意接受单晶、组件端实际价差低于合理价差,促使市场乐意接受单晶 PERC 组组件;电池端仍有较大价差,促使件;电池端仍有较大价差,促使 PERC 产能快速扩张。产能快速扩张。跟据我们推算,2016-2019 年,单晶 BSF 组件与单晶 PERC 组件合理价差应该在0.09-0.22 元,然而根据 PV infoLink 统计,2018 年初单晶 PERC 组件的单 W 售价快速降低,并且在短时间实现了实际价差低于合理价差。由于单晶 P
28、ERC 组件拥有更好的转换效率和特性,因此在同价水平下性价比溢出,从而导致市占率快速提升。 在电池片端,跟据 PV infoLink 统计,2017 年底至 2019 年中,单晶 PERC 电池片一直与普通单晶电池片保持一定价差。这也导致电池企业拥有极大的热情去进行 PERC 对于 BSF 的技术升级和改造,因此 PERC 的市占率快速提升,完成对 BSF 的替代。 行业深度研究 - 9 - 敬请参阅最后一页特别声明 图表图表11:PERC与与BSF电池片电池片高价差维持时间较长高价差维持时间较长 来源:PV infoLink、国金证券研究所 图表图表12:2018年初年初PERC与与BSF组
29、件端价差快速缩小组件端价差快速缩小 来源:PV infoLink、国金证券研究所 PERC(Passivated Emitter and Rear Cell)电池技术,全称为钝化发射极和背面电池技术。与 BSF 相比,PERC 太阳电池以背面局域点接触的形式替代了全铝背场,减少了背表面复合速率,增强了背反射性能,从而提升了电池的开路电压和短路电流,进而提高了太阳能电池转换效率。 行业深度研究 - 10 - 敬请参阅最后一页特别声明 图表图表13: PERC在结构上更利于提升转换效率在结构上更利于提升转换效率 来源:TaiyangNews,、国金证券研究所 PERC 技术路线与 BSF 技术路线
30、工艺流程的高度一致性也是 PERC 取代BSF 如此之快的一个重要原因。与 BSF 技术相比,PERC 技术仅需在原有的工艺流程中增加只需额外增加钝化膜沉积设备(PECVD 设备或 ALD 设备)和激光开槽设备,因此可以对原有的 BSF 产线进行升级改造。大大降低了单位投资成本。此外,由于电池设备的国产化程度加速提高,单位投资成本也处于不断下降的阶段。目前 PERC 技术产线的主要设备均可以实现国产化。 图表图表14:PERC电池产线单位投资成本下降速度超预期电池产线单位投资成本下降速度超预期 来源:CPIA、国金证券研究所 1.4 PERC 技术效率渐近极限,主流技术效率渐近极限,主流高效高
31、效电池技术即将开始产业化进程电池技术即将开始产业化进程 截至 2021 年底,P 型 PERC 电池技术仍是市场主流,主流 PERC 电池片的转换效率约在 23%左右,当前 PERC 电池转换效率世界纪录为隆基创造的 24.05%,接近 ISFH 24.5%的实验室效率极限, 。因此由于转换效率的瓶颈,无论是传统电池片环节企业或是一体化厂商都在努力追求技术上的改进和效率上的突破。 行业深度研究 - 11 - 敬请参阅最后一页特别声明 图表图表15:单晶:单晶PERC世界记录效率接近极限效率世界记录效率接近极限效率 图表图表16:单晶:单晶PERC量产效率发展历程量产效率发展历程 来源:隆基股份
32、、国金证券研究所 来源:隆基股份、国金证券研究所 半导体根据掺杂时元素种类的差异分为 P型和 N型,而 N 型晶硅太阳能电池更有利于电池转换效率的进一步突破。与掺硼(B)的 P 型晶体硅材料相比,掺磷(P)的 N型晶体硅材料具有四个优势: 1)N 型晶硅材料的少子空穴复合要远低于 P 型,主要是因为 N 型材料中杂质对少子空穴的捕捉能力和其少子空穴的表面复合速率均较低。 2)相同金属污染的环境下,拥有较高金属污染容忍度的 N型硅片的少子寿命要显著高于 P型硅片。 3)掺磷的 N型晶体硅几乎不存在光致衰减效应,其极低的硼含量消除了硼氧对的影响,也就避免了 P 型掺硼晶硅电池在光照下会发生明显的电
33、性能衰减的问题。 4)N 型硅片的少数载流子(空穴)寿命长于 P 型硅片,故 N 型电池较 P型电池具有更高的转换效率的潜力。 尽管 P 型硅片也可应用于 TOPCon、IBC 技术,但这两类技术对于 P 型硅片的质量要求极高,行业内现有的硅片产能里供应比例较低,因此仅有极少数头部厂商可以通过自身的硅片规模、质量优势选择基于 P 型硅片的新技术路线。由于目前行业内 N 型硅片价格更高,所以这种高效太阳能电池技术路线拥有更好的性价比,但由于技术及硅片质量壁垒的限制,预计较难以成为行业各家企业普遍选择的技术路线。 。 图表图表17:基于:基于P型硅片的型硅片的TOPCon技术技术实验室转化效率实验
34、室转化效率较较N型并无显著差异型并无显著差异 来源:各公司公告,国金证券研究所 行业深度研究 - 12 - 敬请参阅最后一页特别声明 目前 N 型电池大概率成为未来高转换效率的方向,目前包括 PERT、TOPCon(隧穿氧化钝化接触) 、IBC(全背电极接触) 、HJT(异质结)四种技术路径。在 N 型电池技术中,PERT 已被证明不具备经济性,IBC 量产难度大且设备投资较高,因此目前市场上主流的下一代技术是 TOPCon和 HJT 技术。 图表图表18:光伏电池技术路线图及新一代技术类型:光伏电池技术路线图及新一代技术类型 来源:国金证券研究所整理 2、TOPCon:现有产线兼容:现有产线
35、兼容+极限效率高,极限效率高,PERC 升级首选升级首选 2.1 结构结构更具更具优势,效率提升明显优势,效率提升明显 TOPCon 电池技术拥有的隧穿氧化层钝化接触(Tunnel Oxide Passivated Contact)基于选择性载流子原理。TOPCon 技术结构下的电池以 N 型硅衬底,背面覆盖了一层沉积在超薄隧穿氧化硅层上的掺杂多晶硅薄层,形成了较好的钝化接触结构。该结构为硅片背面打造了一个良好的界面钝化,其中的超薄氧化层可以阻挡少子空穴复合,使多子电子隧穿进入多晶硅层,促进电子在多晶硅层横向传输时被金属收集,从而有效地降低了表面复合和金属接触复合,提高开路电压和填充因子,提高
36、光电转换效率。 行业深度研究 - 13 - 敬请参阅最后一页特别声明 图表图表19:TOPCon电池结构电池结构 来源:中科院宁波材料所、国金证券研究所 TOPCon 工艺的进步关键在于制备隧穿氧化层和高掺杂的多晶硅薄层工艺的进步关键在于制备隧穿氧化层和高掺杂的多晶硅薄层 :根据中科院微电子研究所数据显示,氧化层对于电池的重要性在对开路电压和复合速率的影响中极为明显。在无隧穿氧化层(tunnel oxide layer)/多晶硅薄层(+Poly-Si layer)的情况下,开路电压有所降低,同时复合速率快速提升,由此导致转换效率大幅度下降。根据德国太阳能研究所 ISFH实验室得出的结论,双面钝
37、化的 TOPCon 的极限效率可以达到 28.7%,高于 PERC 和 HJT,且最接近晶体硅太阳能电池理论极限效率 29.43%。 图表图表20:TOPCon电池极限效率可达电池极限效率可达28.7% 来源:ISFH、国金证券研究所 2.2 工艺步骤与工艺步骤与 PERC 相匹配、可在原有产线升级相匹配、可在原有产线升级 TOPCon 电池生产工艺可以最大程度保留和利用现有电池生产工艺可以最大程度保留和利用现有 PERC 电池设备电池设备工艺工艺流程。流程。TOPCon 技术虽为 N 型技术,但与 P 型 PERC 技术的核心本质均是背面钝化接触技术,因此核心设备只需增加硼扩和薄膜沉积设备(
38、PECVD/LPCVD/PVD) ,极大的降低了新增设备的投资成本,同时容易实现量产化。根据设备公司拉普拉斯的调研走访,市面上的 TOPCon 技术主要有三种路线,包括了本征+磷扩、原位掺杂、离子注入(直接掺杂)技术,目前可选择的路径较多,每一种路径都有不错的表现。 行业深度研究 - 14 - 敬请参阅最后一页特别声明 图表图表21:TOPCon电池技术路线调研电池技术路线调研 来源:拉普拉斯官网,国金证券研究所 1)本征本征+磷扩磷扩。采用 LPCVD 制备多晶硅薄层并结合传统的全扩散工艺。需要较 PERC 增加 LPCVD、扩散炉、刻蚀设备,工艺优点是成熟且耗时短(从硅片进入炉管到降温之后
39、出来) ,生产效率高,已实现规模化量产,但存在绕镀和成膜速度慢的问题,目前 TOPCon 厂商布局的主流路线。 2) 离子注入(直接掺杂)离子注入(直接掺杂) 。采用 LPCVD 制备多晶硅薄层并结合扩硼及离子注入磷工艺。需要较 PERC 增加 LPCVD、离子注入机、退火炉、刻蚀设备,技术优点是无绕镀风险,且良率更高,不足之处在于工艺难度大,且需要更多的扩散炉和两倍的 LPCVD。 3) 原位掺杂原位掺杂。采用 PECVD 制备多晶硅薄层并结合原位掺杂工艺。需要较 PERC 增加 PECVD、退火炉设备。该方法可以简化流程、降本提效,不仅沉积速度快、沉积温度低,还能用 PECVD 制备多晶硅
40、层。但目前因气体爆膜现象而导致的良率较低问题还未能解决,技术稳定性有待改进。 图表图表22:部分设备厂商技术路线:部分设备厂商技术路线 来源:pvinfolink、国金证券研究所 行业深度研究 - 15 - 敬请参阅最后一页特别声明 目前限制 TOPCon 技术进一步实现产业化的因素主要有两方面,一是技术难点并没有完全克服且制作工艺复杂,造成技术路线没有完全定型,进而导致良率和产量情况不如 PERC,转换效率潜力并没有完全释放; 第二是双面用银导致成本稍高,从而降低了 TOPCon 电池的性价比。 2.3 工艺工艺流程相对流程相对复杂、复杂、技术路线技术路线细节细节定型定型难度高难度高 技术难
41、点方面,较为复杂的工艺步骤主要包括隧穿氧化层的生长方式;掺技术难点方面,较为复杂的工艺步骤主要包括隧穿氧化层的生长方式;掺杂多晶硅薄层制备方式;硼扩技术选择。杂多晶硅薄层制备方式;硼扩技术选择。 难点一难点一 隧穿氧化隧穿氧化层生长方式:层生长方式:隧穿氧化层的钝化接触提效原理如下图所示,掺杂的多晶硅薄层和 n 型硅基体在接触产生反阻挡层,使准费米能级分裂(提高) ,对空穴形成势垒,阻挡少子空穴进一步到达氧化硅/n 型硅基体的界面,而多子可以通过隧穿原理(允许一种载流子通过,阻止另一种载流子输运)最终阻挡了空穴到达金属半导体接触的界面进行复合。这种载流子选择性接触结构有效解决了晶硅太阳能电池表
42、面钝化和接触的矛盾,使电池的转换效率有大幅提升。因此隧穿氧化层的生长方式和厚度控制对于提高钝化效果极为重要。 图表图表23:N型与型与P型型电池载流子输运机制电池载流子输运机制对比对比 来源:光伏技术、国金证券研究所绘制 制备隧穿氧化层时如何控制氧化层的质量、厚度、和均匀性是一个技术性难题,当厚度大于 2nm 时,位垒太高,隧穿将难以实现,因此量产的氧化层厚度一般都 1.4-1.6nm。目前制备隧穿氧化层的技术多样化,各种技术路线优缺点明显,尚需时间检验。 图表图表24:氧化层制备方法优缺点对比:氧化层制备方法优缺点对比 来源: 基于隧穿氧化物钝化接触的高效晶体硅太阳电池的研究现状与展望 ,国
43、金证券研究所 行业深度研究 - 16 - 敬请参阅最后一页特别声明 难点二难点二 掺杂掺杂多晶硅薄层制备方式多晶硅薄层制备方式:对于掺杂多晶硅薄层的制备,目前市场中主要有三种制备方式,分别为 LPCVD(低压化学气相沉积法),管式PECVD(等离子增强化学气相沉积法)及板式 PECVD。此外还有 PVD(物理气相沉积) 、PEALD(等离子体增强原子层沉积) 、APCVD(常压化学气相沉积)法,但未实现商业化应用。目前商业化进程最成熟的是LPCVD 制备掺杂多晶硅薄层,PECVD 则是新技术发展方向。 LPCVD 工艺的基本原理是将制备多晶硅薄膜所需的气态物质混合,在较低压力下,用热能激活,使
44、其发生热分解或者化学反应,借助气相作用最终沉积形成多晶硅薄膜,在过程中沉积温度、反应压力、硅烷流量等沉积参数会对薄膜的质量和生长速率产生较大的影响,需要较好的参数控制。 图表图表25:LPCVD与与PECVD工作原理对比工作原理对比 来源:中科院宁波材料所、国金证券研究所绘制 PECVD 则是在低压条件下利用辉光放电将反应气体电离,形成具有较强活性的离子化的气体,经过一系列化学反应后在基片表面淀积形成稳定固态薄膜。 图表图表26:LPCVD、PECVD薄膜沉积技术对比薄膜沉积技术对比 来源:华晟新能源、国金证券研究所 在镀膜工艺过程中,硅片由于受热发生膨胀,不能一直保持与石墨壁贴合状态,此时反
45、应气体需要沉积的目标膜层会因为硅片受热膨胀的缘由沉积在硅片与石墨壁之间的缝隙之间,这些额外沉积的膜层主要分布在与目标沉积面的相对面的边缘位臵,导致下一工序对硅片另一面镀膜时出现部分硅片边缘较厚的情况,这种现象称为绕镀。绕镀问题在 LPCVD 镀膜工艺中尤为严重,如果绕镀不能完全去除,则会出现外观良率低、漏电比例高、性能降低等问题。 行业深度研究 - 17 - 敬请参阅最后一页特别声明 图表图表27:绕镀问题严重影响电池性:绕镀问题严重影响电池性能能 来源: 一种去除 LPCVD多晶硅绕镀的方法 、国金证券研究所绘制 目前 LPCVD 设备制备掺杂多晶硅薄层是行业里最成熟的路线,LPCVD 装片
46、多、产量大,但是存在绕镀面积大、掺杂时间长、均匀性差、石英件损耗大、镀厚膜容易爆膜的缺点。 PECVD 设备可以避免产生绕镀的问题,但是产量小、维护成本高,均匀性和效果略差。因此,对于镀膜设备的选择的不确定性也是导致 TOPCon 良率较低的重要原因之一。 难点三难点三 硼扩散:硼扩散:在在 N 型电池整个工艺流程中,型电池整个工艺流程中,PN 结制备的质量是决定电结制备的质量是决定电池效率的关键步骤。池效率的关键步骤。低压管式 BBr3、BCI3 扩散、旋涂硼源+扩散、常压管式 BBr3 扩散、离子注入+退火是目前主要的四种 N 型的 PN 结制备技术。根据拉普拉斯统计,低压管式 BBr3
47、在设备市场上的占有率较高,尤其是在光伏领域。 硼扩散的难点在于硼和硅之间溶解度的较大差异导致扩散速率较低;对扩散温度的要求较高,需要达到10000;均匀性不好控制。 图表图表28:常规硼扩散材料对比:常规硼扩散材料对比 图表图表29:磷和硼在:磷和硼在不同温度下固溶不同温度下固溶度度(atoms/) 来源:拉普拉斯官网、国金证券研究所 来源:华晟新能源、国金证券研究所 2.4 较较 PERC 成本稍高,但降本路径清晰成本稍高,但降本路径清晰 成本较高体现在:成本较高体现在:与 PERC 相比,TOPCon 的较高的成本主要来自于非硅成本方面,目前较 PERC 每 W 高出 0.08-0.09
48、元。其中浆料是其中成本最高的环节,TOPCon 目前用量 150-180mg,对比之下 PERC 用量仅有70mg 左右。此外,TOPCon 与 PERC 在良率上的差距也导致了单位成本的上升。根据调研,TOPCon 目前量产的良率在 93%-95%,而 PERC 的良率达到了 98%。技术工艺路线的不确定以及关键环节的一些工艺难点尚未被克服是 TOPCon 良率较低的主要原因。 行业深度研究 - 18 - 敬请参阅最后一页特别声明 图表图表30:基于当前价格水平下:基于当前价格水平下182尺寸尺寸TOPCon电池成本构成电池成本构成 来源:solarzoom、国金证券研究所(备注:基于 18
49、2 尺寸硅片,165um厚度,6.7 元/片测算) TOPCon 银耗较高的原因在于银耗较高的原因在于双面双面使用银浆使用银浆。晶硅电池由光伏技术原理的不同,可分为 P 型和 N 型。 P 型晶硅电池是由掺硼 P 型硅基体掺杂磷元素形成 N 型发射极实现 PN 结,而 N 型晶硅电池由掺磷 N 型硅基体掺杂硼元素形成 P 型发射极实现 PN 结。这会让 P型和 N型的金属化欧姆接触原理与工作机制有所区别。N 型相比于 P 型,发射极上需要更多的银浆才能达到可量产的电学性能;N 型晶硅电池双面率高,背面通过银浆丝网印刷实现的电极结构类似于 P 型晶硅电池的正面电极结构,这些都使得 N 型电池对正
50、面银浆单位消耗更高。 图表图表31:TOPCon与与PERC在银浆上的使用差异在银浆上的使用差异 来源:国金证券研究所整理 N 型银浆用量及成本存在明显的下降空间,型银浆用量及成本存在明显的下降空间,主要实现方法包括:多主栅技术的应用,银浆的用量可以得到最大程度的节省;银铝浆的使用可以推动银浆成本下降;目前 TOPCon 银浆国产化率较低,随着国内浆料企业的研发和进步,国产 TOPCon 银浆渗透率的提升有助于降低成本。 除了在银浆方面有下降空间外,硅片薄片化和大型化、设备产能的提升(例如双面、三合一镀膜设备) 、良率的提升(摊薄成本)和转换效率的提高(最终降低 LCOE)都是 TOPCon