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光伏技术前瞻分析: PERC和HJT带来光伏电池设备新时代

一、PERC和HJT是电池技术的未来

光伏电池技术路线。目前晶硅类电池的技术方向包括单晶和多晶。多晶电池逐渐向黑硅方向升级。单晶包括P型和N型。P型电池中PERC技术逐渐成为主流,叠加SE(选择性发射极)技术,电池效率逐渐提升。但是P型电池有其转换效率的极限,而N型电池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。下面将分别对各种技术路径进行讲解。

1)PERC目前技术比较成熟、性价比比较高,技术相对容易,设备完成了国产化,最高效率达到22%,成为这两年高效电池主要扩产的技术,叠加SE(选择性发射极)技术,预计到2020年前依然是光伏电池主流技术。

2)N-PERT可实现量产,技术难度容易,设备投资较少。但是与双面P-PERC相比没有性价比优势,已经证明为不经济的技术路线。

3)HJT效率可达23%-24%,工序少、可实现量产,目前已经有松下、晋能、中智、钧石等公司布局。但是其设备贵、投资成本高,成为阻碍其大规模产业化的一点。

4)TOPCon背面收光较差,量产难度很高,目前有布局的企业包括:LG、REC、中来等。

5)IBC效率最高,可以达到23.5%-24.5%,技术难度极高,设备投资高,成本高,国内尚未实现量产,目前布局的企业包括LG、中来、 sunpower。

从以上的对比来看,PERC和HJT技术将是未来光伏电池技术的发力方向,也是目前企业产能重点布局的地方。

传统光伏电池的生产工艺。目前常规的电池是P型电池。传统的电池生产流程,包括从硅片出发经历清洗制绒、扩散制结、刻蚀、去除磷硅玻璃、PECVD镀反射膜、丝网印刷、烘干烧结、分类检测等工艺,完成电池的制造。

PERC电池工艺介绍。与常规单晶电池工艺相比,PERC单晶电池主要增加了背面钝化和激光打孔两道工艺。背面钝化工艺在硅片背面沉积三氧化二铝和氮化硅,对硅片背面进行钝化。三氧化二铝由于具备较高的电荷密度,可以对P型表面提供良好的钝化;氮化硅主要作用是保护背部钝化膜,并保证电池背面的光学性能。激光打孔工艺是利用一定脉冲宽度的激光去除部分覆盖在电池背面的钝化层和氮化硅覆盖层,以使丝网印刷的铝浆可以与电池背面的硅片形成有效接触,从而使光生电流可以通过Al背场导出。

HJT电池结构。HJT电池以N型单晶硅(c-Si)为衬底光吸收区,经过制绒清洗后,其正面依次沉积厚度为5-10nm的本征非晶硅薄膜(i-a-Si:H)和掺杂的P型非晶硅(p-a-Si:H),和硅衬底形成p-n异质结。硅片的背面又通过沉积厚度为5-10nm的本征非晶硅薄膜(i-a-Si:H)和掺杂的N型非晶硅(n-a-Si:H)形成背表面场。最后电池的两面沉积TCO(透明氧化物导电薄膜),然后用丝网印刷的方法在TCO上制作Ag电极。

HJT电池工艺介绍。HJT电池工艺主要包括制绒、非晶硅沉积、TCO沉积、丝网印刷。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,提供给设备的厂家较多。

我们认为电池技术迭代是促进行业降本增效的动力。PERC技术成熟、设备国产化率高,叠加SE(选择性发射极)进一步提升效率,预计到2020年前依然是高效电池扩产的主流技术。N型电池是未来高效电池的发展方向,其中N-PERT技术与双面PERC电池对不性价比不明显,TOPcon量产难度高,而IBC技术虽然转换效率较高,但是未有量产实绩,HJT由于工序少、国内已有企业量产,成为高效电池未来的发展方向,但是其目前的阻碍是设备投资较贵。从以上的对比来看,PERC和HJT技术将是未来光伏电池发展的主要方向,也是企业重点进行产能布局的地方。我们认为在PERC和HJT技术布局的设备企业最终将走出来,成为成长性的公司。

二、PERC产能快速扩充,带来电池设备企业高速增长

1、市场空间:PERC大量扩产,带来订单

高效电池产能依然处于紧平衡的状态。光伏要实现平价上网,要光伏各个环节的降本增效,主要通过各个环节的技术创新进步。在电池片环节,我们认为高效电池是未来的方向,目前光伏高效电池主流技术包括PERC和N型技术。

我们来观察高效电池是否能满足下游的需求。以2018年来看,PERC+N型合计产能为72GW,不能满足全球103GW的装机需求。到2020年PERC+N型合计产能为132GW,依然处于一个紧平衡的状态。如果按照2021年,中国实现平价上网,全球光伏新增装机有望达到200GW,高效电池产能远远不能满足需求,未来PERC+N型的产能会持续扩充中。

PERC由于只需要在传统电池工艺基础上增加两个工序即可提升效率,升级方便,是目前高效电池的主流技术。国内以通威、爱旭、隆基等电池片龙头企业依然在大幅度扩产PERC产能。2020年前PERC依然是电池产能的扩产主流。

参考隆基宁夏乐叶年产5GW的PERC电池项目设备工具购置费用明细。我们可以看到1GW的PERC电池需要的设备投资额大约为4.97亿元,其中工艺设备为3.53亿元,检测设备为0.26亿元,自动化设备1.08亿元。单独来看,背钝化投资额最大,1GW投资额为1.08亿元;管式PECVD第二,1GW需要设备数量为11台,投资额0.46亿元;制绒1GW需要设备5台,投资额0.34亿元;印刷线1G需要设备5台,投资额为0.58亿元。其他设备包括扩散、激光掺杂、刻蚀、退火、激光开槽、印刷线、烧结炉等。

2019-2021年PERC电池设备累计市场空间为315亿元。参考宁夏隆基乐叶年产5GW的PERC电池项目设备工具购置费用明细,暂不考虑设备降价的因素,测算得出到2019-2021年PERC电池设备累计市场空间为315亿元。其中工艺设备市场空间为221亿元,检测设备市场空间为16亿元,自动化设备市场空间为63亿元。

具体到细分设备,2019-2021年市场空间:制绒设备21.4亿元、扩散设备13.9亿元、刻蚀设备9.5亿元,退火设备13.9亿元,背钝化设备63亿元、PECVD设备28.4亿元、印刷线36.5亿元、激光开槽设备10.7亿元、激光掺杂设备10.1亿元。

2、PERC电池设备企业国内竞争力强,预计未来设备格局将趋于稳定

目前国内设备企业在各个PERC电池设备都具备了竞争力,与国外企业的技术相比不相上下甚至超过。下面对重点设备进行介绍。

1)制绒设备

制绒是利用碱对单晶硅表面的各向异性腐蚀,工业生产中一般采用成本较低的氢氧化钠或氢氧化钾稀溶液来制备绒面。利用Si在稀NaOH溶液中的各向异性腐蚀,在硅片表面形成3-6微米的金字塔结构。理想的绒面效果:金字塔大小均匀,覆盖整个表面,相邻金字塔之间没有空隙,具有较低的表面反射率。单晶硅的绒面制备,能够有效地提高电池转换效率,由于市场的变化,对绒面质量的要求也变的越来越高。如何做出高质量的绒面,不仅仅是工艺技术的问题,还需要与优异的设备进行配合,而设备的相关性能也决定了工艺的效果。目前制绒设备技术指标控制严格的包括:工艺温度、溶液均匀性、产能等。为了保证反应条件的一致性,温控精度要在±1 ℃;溶液均匀性和产能也是重要的考察点。目前国内外的设备厂家包括RENA、施密德、捷佳伟创、晶洲装备等。国内以捷佳伟创为代表的设备企业在产能、控温精度、自动配补液精度等方面的性能已经达到世界先进水平。

2)扩散设备

扩散主要是电池片制PN结的过程,扩散工艺的好坏直接影响电池片效率的多少。扩散的方法包括:三氯氧磷(POCl3)液态源扩散、喷涂磷酸水溶液后链式扩散、丝网印刷磷浆料后链式扩散。目前国内多采用第一种方法:三氯氧磷(POCl3)液态源扩散,其具有稳定、可控性强等优点。POCl3液态分子在N2载气的携带下进入炉管,在高温下经过一系列化学反应磷原子被置换。POCl3在高温下(>600℃)分解生成五氯化磷(PCl5)和五氧化二磷(P2O5),POCl3分解产生的P2O5淀积在硅片表面,P2O5与硅反应生成SiO2和磷原子,并在硅片表面形成一层磷-硅玻璃,然后磷原子再向硅中进行扩散。扩散设备的核心技术指标是扩散方阻均匀性,其他指标包括控温精度和稳定性、工艺时间等。扩散炉的提供厂家包括Tempress、Centrotherm、捷佳伟创、丰盛装备、北方华创、电科48所等。

3)钝化和PECVD设备

传统PECVD工艺主要是镀反射膜:制作减少硅片表面反射的氮化硅薄膜。高效PERC电池工艺中增加了背面钝化工艺,背面钝化工艺在硅片背面沉积三氧化二铝和氮化硅,对硅片背面进行钝化。

目前PERC电池中钝化工艺包括两种方式:一种是使用PECVD (等离子体化学气相沉积)设备一次性完成三氧化二铝和氮化硅膜的层叠;二是使用ALD(原子层沉积)设备完成三氧化二铝镀膜;PECVD完成氮化硅镀膜。ALD工艺过程中,将不同的反应前驱物以气体脉冲的形式交替送入反应室中,因此并非一个连续的工艺过程。相对于传统的沉积工艺而言,ALD在膜层的均匀性、阶梯覆盖率以及厚度控制等方面都具有明显的优势。

ALD(原子层沉积)设备独立完成三氧化二铝镀膜,ALD镀膜具有低温沉积、速度慢、膜质好等优点,但是稳定性待检验;设备厂家包括:solay tec、理想能源、江苏微导等。

PECVD分为板式PECVD和管式PECVD。板式PECVD钝化膜生长及氮化硅覆膜集成一体,设备及工艺相对稳定,市场暂时领先, Meyer Burger公司优势突出。

管式PECVD:用石英管作为沉积腔室,使用电阻炉作为加热体,将一个可以放置多片硅片的石墨舟插进石英管中进行沉积。其膜质较好,有增加氮化硅提升钝化效果潜力,少量试产,损伤及绕镀现象待检验,设备厂家包括Centrotherm、捷佳伟创、丰盛装备。

4)丝网印刷

丝网印刷设备主要是依次完成背场、背电极、正栅线电极的制作。一条印刷线一般包括3套印刷机,分别是背电极印刷、铝背场印刷、正电极印刷,如果有二次印刷,添加4号印刷机,在第一层浆料基础上,相同位置进行第二次印刷,实现更窄、更高导线的印刷。目前丝网印刷机的厂家包括Baccini、迈为股份、科隆威等。

5)激光开槽&激光掺杂设备

激光开槽设备主要用在PERC电池的激光开槽,利用一定脉冲宽度的激光在去除部分覆盖在电池背面的钝化层和SiNx覆盖层,以使丝网印刷的铝浆可以与电池背面的硅片形成有效接触,从而使光生电流可以通过Al层导出。

SE(选择性发射极)中使用到激光掺杂设备,是采用扩散时产生的磷硅玻璃层作为掺杂源进行激光扫描,形成重掺杂区。

目前激光开槽和激光掺杂的设备提供商包括帝尔激光、大族激光、迈为股份。

PERC电池设备国产化率高。目前国内P型电池设备国产化率较高,除了技术要求极高的板式PECVD、以及国外性价较高的快速烧结炉需要进口外,其他国内设备厂家已经具有很强的竞争力,在下游客户降本增效的需求下,市场占有率持续提高。

根据通威的公告:通威合肥太阳能二期2.3GW高效晶硅电池片项目,在前期成都一期项目、合肥技改项目大量引入了国产设备免费试用,如:印刷线试用迈为、科隆威设备,PECVD、制绒工序试用捷佳创设备。在经过一段时间验证国产设备可靠性后,为充分降低投资成本、提高收益,公司在招标中大量选购国产设备,“合肥太阳能二期2.3GW高效晶硅电池片项目”原主要设备约90%需要进口,现该比例已降至约20%。

目前国内设备都取得了快速的进步,市场占有率快速提升,都在各自的优势领域占据了较高的市场占有率(50%以上):捷佳伟创在制绒、扩散、刻蚀、PECVD等设备领域;迈为股份在丝网印刷设备;帝尔激光在激光掺杂、激光开槽设备。这些设备公司的客户基本覆盖了下游的主流电池企业。随着PERC产能的陆续投建,这些企业都获得了大量的设备订单,获得了更快的成长。

三、HJT产业化和设备国产化加速推进

1、HJT企业加大布局,加速产业化

HJT电池与传统电池相比具有工艺相对简单、无PID现象、低温制造工艺、高效率(P型单晶硅电池高1-2%)、高稳定性、可向薄型化发展等优点,成为未来高效电池的发展方向,国内企业持续发力HJT电池,使得HJT电池加速产业化。

①结构对称、工艺简单、设备较少。HJT电池是在单晶硅片的两面分别沉积本征层、掺杂层和TCO以及双面印刷电极。其结构对称、工艺相对简单。

②低温制造工艺。HJT电池采用硅基薄膜工艺形成p-n结发射区,制程中的最高温度就是非晶硅薄膜的形成温度(200℃),避免了传统晶体硅电池形成p-n结的高温(950℃)。可以降低能耗、减少对硅片的热损伤。

③获得较高的转换效率。HJT电池中的本征薄膜能有效钝化晶体硅和掺杂非晶硅的界面缺陷,形成较高的开路电压。

④由于电池上表面为TCO导电玻璃,电荷不会在电池表面的TCO上产生极化现象,PID现象(电势诱导衰减)。

HJT电池由于其较高的转换效率,工序少以及已经有量产实绩,成为下一代高效电池的主要发展方向。但是其目前的阻碍主要在于工艺要求严格、需要低温组件封装工艺、设备投资高、透明导电薄膜成本高。

HJT量产的难度。HJT的优势明显,工艺步骤简单、转换效率高、发电性能优异,关键在于如何扩大产业化,在成本上提升竞争力。

HJT的性价比主要通过成本和转换效率的对比。PERC转换效率达到22%,HJT效率可达23%-24%,HJT相比PERC在转换效率上有1-2%的提升。根据目前情况来看,HJT的成本与PERC相比在15~30%就有竞争优势。

对东方日升2.5GW的建设项目进行分析,其中占比较高的包括原材料和制造费用,原材料中占比较大的包括硅片、银浆等。则要降低HJT的成本,包括降低原材料成本和制造费用,主要途径包括硅片薄片化、降低银浆、BOM材料国产化、设备成本降低等。

降低银浆包括:降低低温银浆的用量或者成本,国产低温银浆有望快速应用。部分厂商尝试了其他金属化的技术,包括赛昂的基于铜电镀技术进行改进的电镀技术、MeyerBurger的SmartWire技术。

设备方面,根据晋能介绍,其第一条线投资成本为2亿元/100MW (20亿元/1GW),第二条线降低到了0.9亿元/100MW(9亿元/1GW),未来的目标是降至0.4亿元/100MW(4亿元/1GW)。设备未来的投资额有望快速向PERC靠近,主要靠国产设备的使用以及成本降低。

国内已有量产实绩,企业加大布局。目前HJT量产的以国外松下/三洋最为成熟,已经有1GW的量产实绩,而国内在2018年的实际产能为850MW,多为企业前期规划建设的1、2条线。国内福建钧石与松下合作,目前有1000MW的产能;通威一期建设产能200MW,2019年6月份实现了第一片的HJT电池片下线。中智实现了2000 MW的产能。而从规划来看,国内企业呈现出较大的信心,目前已经规划了33.3GW的产能,国内发展HJT电池的企业呈现出资本投入大,有新玩家出现,而技术通过合作和研发解决,主要是HJT目前处于产业化初期,企业都在同一起跑线,新进入者希望在这领域实现弯道超车。

2、HJT电池设备市场空间大,设备国产化加速推进

HJT电池设备投资成本高。HJT的投资成本较高,根据东方日升2.5GW高效太阳能电池的项目投资来看,其设备总的投资额为25亿元,单GW投资额为10亿元,远高于PERC的设备投资额。按照数量来看,单GW都需要配备10台设备。按照不同设备类型来看,非晶硅沉积设备投资额最大,单GW投资额为4亿元;其次为TCO (透明氧化物导电薄膜)沉积设备,单GW投资额为2.75亿元。而从制绒和印刷来看,单台设备的价值量与PERC的设备价值量接近,其中丝网印刷略高。

HJT设备市场空间大。HJT设备市场空间合计达333亿元,超过PERC三年累计315亿元的市场,HJT有望为设备企业带来一个与全新的市场。分设备来看,非晶硅沉积设备市场空间为133.2亿元, TCO沉积设备市场空间为91.6亿元,丝网印刷设备市场空间为58.3亿元,制绒设备市场空间为25亿元。

HJT电池设备以国外为主,国产企业加速国产化。HJT电池的生产流程包括制绒、非晶硅薄膜沉积、TCO(透明氧化物导电薄膜)沉积、丝网印刷四步。对各个环节的设备国产化状况进行分析。

①HJT的制绒和丝网印刷与PERC技术相差不当。

②非晶硅薄膜沉积主要使用PECVD(离子体增强化学气相淀积)方法,目前国外主流厂家为Meyer Burge。国内厂家包括理想、钧石能源、迈为股份。其中理想万里晖已经实现了对客户的出货,钧石能源已经实现了在自身生产线上的应用。

目前主要使用的管式PECVD设备,用石英管作为沉积腔室,使用电阻炉作为加热体,将一个可以放置多片硅片的石墨舟插进石英管中进行沉积。PECVD主要由工艺管及电阻加热炉、净化推舟系统、气路系统、电气控制系统、计算机控制系统、真空系统6大部分组成。PECVD技术原理是利用低温等离子体作能量源,样品置于低气压下辉光放电的阴极上,利用辉光放电(或另加发热体)使样品升温到预定的温度,然后通入适量的反应气体,气体经一系列化学反应和等离子体反应,在样品表面形成固态薄膜。PECVD方法区别于其他CVD方法的特点在于等离子体中含有大量高能量的电子,它们可以提供化学气相沉积过程所需的激活能。电子与气相分子的碰撞可以促进气体分子的分解、化合、激发和电离过程,生成活性很高的各种化学基团,因而显著降低CVD薄膜沉积的温度范围,使得原来需要在高温下才能进行的CVD过程得以在低温下实现。成膜过程在真空中进行,大约在5~500Pa范围内。

③TCO沉积包括RPD(反应等离子体沉积)和PVD(物理化学气象沉积)两种方法。

RPD(反应等离子体沉积)技术主要由日本住友重工掌握,其设备匹配自己生产的IWO(氧化铟掺钨)靶材制备IWO透明导电薄膜,其采用蒸发镀膜对衬底轰击较小,IWO薄膜电学性能明显优于PVD制备的ITO薄膜。RPD制备下的异质结电池总体比PVD约有0.5~1%的效率优势。松下公司采用的就是RPD工艺。住友重工持有RPD设备与IWO靶材两项专利技术,限制了该技术的发展。国内捷佳伟创在获得住友重工授权以后进行研发制造,并实现了在通威产线上的应用。

目前用的较多的是PVD工艺(物理化学气象沉积),采用直流磁控溅射制备,其制备的一般是ITO薄膜,PVD带来了离子高轰击,损伤较大,ITO薄膜的电学性能差于IWO薄膜。但是PVD技术较为成熟,而且设备相对便宜。最近出现了用PVD制备新种类的TCO薄膜,拉近了两者的技术差距。大部分设备厂家也是采用此技术。国外主流厂家为Meyer Burger。国内包括钧石能源、迈为股份、红太阳等。

总体来看,RPD的在TCO沉积上优于PVD技术,可以提高转换效率,从长远来看是未来的趋势,但是需要解决成本和技术专利的问题。目前来看,PVD可能使用较为广泛。

四、投资建议

光伏平价上网带来光伏行业新一轮向上周期,平价上网要求行业降本增效,光伏电池设备在促进技术进步发挥中坚力量。PERC电池新建产能有望持续维持高位,国产化设备企业有望获得大量订单。HJT电池产业化加快,国产设备逐步布局,HJT电池将为设备提供翻倍以上的设备市场空间。在PERC有核心竞争力,并且已经获得大量订单,在HJT快速布局,并且有望实现国产化应用突破的设备企业,将获得持续的成长动力。

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