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能源環(huán)境新聞

光伏電池專題報告:N型接棒,開啟電池發(fā)展新階段

星之球科技 來源:未來智庫2021-06-23 我要評論(0 )   

一、技術(shù)迭代推動降本增效,N 型電池技術(shù)發(fā)展提速晶硅電池技術(shù)是以硅片為襯底,根據(jù)硅片的差異區(qū)分為 P 型電池和 N 型電池。其中 P 型電池主要是 BSF 電池和 PERC 電池...

一、技術(shù)迭代推動降本增效,N 型電池技術(shù)發(fā)展提速

晶硅電池技術(shù)是以硅片為襯底,根據(jù)硅片的差異區(qū)分為 P 型電池和 N 型電池。其中 P 型電池主要是 BSF 電池和 PERC 電池,N 型電池目前投入比較多的主流技術(shù)為 HJT 電池和 TOPCon 電池。

1)P 型電池,傳統(tǒng)單晶和多晶電池主要技術(shù)路線為鋁背場技術(shù)(Al-BSF), 目前主流的 P 型單晶電池技術(shù)為 PERC 電池技術(shù),該技術(shù)制造工藝簡單、成本低,疊加 SE(選擇性發(fā)射技術(shù))提升電池轉(zhuǎn)換效率;

2)N 型電池,隨著 P 型電池逐漸接近其轉(zhuǎn)換 效率極限,N 型將成為下一代電池技術(shù)的發(fā)展方向。N 型電池具有轉(zhuǎn)換效率高、雙面率高、 溫度系數(shù)低、無光衰、弱光效應(yīng)好、載流子壽命更長等優(yōu)點,主要制備技術(shù)包括 PERT/PERL、 TOPCon、IBC、異質(zhì)結(jié)(HJT)等。

技術(shù)迭代推動提效降本,PERC 電池產(chǎn)能占 86%

過去五年,PERC 代替 Al-BSF 成為目前主流電池技術(shù)。P 型電池技術(shù)主要經(jīng)歷了 Al-BSF(傳統(tǒng)鋁背場)到單面 PERC 再到雙面 PERC 技術(shù)的發(fā)展路線。根據(jù) CPIA 數(shù)據(jù), 2015 年之前,鋁背場電池是主流的電池技術(shù),市占率一度超過 90%,2015 年開始隨時 PERC 電池技術(shù)的推廣,BSF 電池市占率開始下降并在 2020 年市占率降至 8.8%。PERC 電池技術(shù)的推廣主要得益于單晶硅片的大規(guī)模推廣,設(shè)備國產(chǎn)化率快速提升等因素。根據(jù) CPIA數(shù)據(jù),2020 年新建量產(chǎn)產(chǎn)線仍以 PERC 電池為主,PERC 電池市場占比達到 86.4%。

1) Al-BSF 電池技術(shù)。為改善太陽能電池效率,在 P-N 結(jié)制備完成后,在硅片的背 光面沉積一層鋁膜,制備 P+層,稱為鋁背場電池。鋁背層主要進行表面鈍化,降 低背表面復(fù)合速率,增加光程,提升效率。但紅外輻射光只有 60-70%能被反射, 產(chǎn)生較多的光電損失,在轉(zhuǎn)換效率方面有明顯的局限。

2) PERC 電池技術(shù)。通過在電池背面附上介質(zhì)鈍化疊層三氧化二鋁和氮化硅作為背 反射器,增加長波光的吸收,同時增大 P-N 極間的電勢差,降低電子復(fù)合,提升 光電轉(zhuǎn)換效率,還可以做成雙面電池。隨著工藝成熟,設(shè)備國產(chǎn)化和成本降低, 逐漸成為市場主流電池技術(shù)。

Al-BSF 改造為 PERC 產(chǎn)線并不復(fù)雜,但效率提升明顯。從產(chǎn)線改造角度看,鋁背場 電池技術(shù)的生產(chǎn)工藝主要包括清洗制絨、擴散制結(jié)、蝕刻、制備減反射膜、印刷電極、燒 結(jié)及自動分選七道工序和關(guān)鍵設(shè)備,而 PERC 電池技術(shù)的生產(chǎn)工藝無需另開產(chǎn)線,只需在 鋁背場基礎(chǔ)上,增加鈍化疊層和激光開槽這兩道工序即可完成,所需設(shè)備包括增加 PECVD 和激光開槽設(shè)備,相關(guān)設(shè)備也均實現(xiàn)國產(chǎn)化。而從效率提升角度看,根據(jù) CPIA 數(shù)據(jù),截 至 2020 年,PERC 電池平均轉(zhuǎn)換效率 22.8%,而傳統(tǒng)鋁背場的轉(zhuǎn)換效率則不足 20%,效 率提升是加速 PERC 產(chǎn)能占比提升的核心因素之一。

PERC 技術(shù)產(chǎn)業(yè)化時間不長,電池效率提升速度較快。從 PERC 電池技術(shù)的發(fā)展到成 為主流路線的時間并不長,核心原因在于電池技術(shù)快速發(fā)展推動行業(yè)的降本提效。從 1989 年 PERC 電池技術(shù)的首次提出,到 2010 年進行背面/疊層鈍化改造推動大尺寸電池的產(chǎn)業(yè) 化進程,產(chǎn)業(yè)界用了 10 年時間將其效率提升和成本下降發(fā)揮到了極致,成為目前全球電 池的主流技術(shù)。隆基樂葉在2019年發(fā)布的PERC電池技術(shù)效率記錄為24.06%,目前PERC 電池的量產(chǎn)效率已經(jīng)突破 23%。

單晶 PERC 電池平均量產(chǎn)效率超 22.8%,已逐漸接近 24.5%極限效率。從目前電池 效率看,隆基 24.1%的轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)接近 PERC 電池極限效率,電池廠商研發(fā)重心已經(jīng)逐 步轉(zhuǎn)向新的技術(shù),PERC技術(shù)正式進入變革后周期。為了進一步提升PERC電池轉(zhuǎn)換效率, 在傳統(tǒng)的 PERC 電池工藝基礎(chǔ)上不斷增加新的工藝,包括 SE 技術(shù)優(yōu)化、多主柵電極、氧 化層增強鈍化、背面堿拋及光注入或電注入再生等技術(shù)工藝的改進。通過技術(shù)工藝的不斷 改進,目前單晶 PERC 電池的產(chǎn)業(yè)化平均效率達到 22.8%+,已經(jīng)在逐漸接近其極限效率。

N 型電池技術(shù)優(yōu)勢顯著,有望替代 P 型成為主流

N 型電池轉(zhuǎn)換效率高,有望替代 P 型電池成為發(fā)展主流。從目前技術(shù)發(fā)展來看,P 型 PERC 電池已經(jīng)迫近效率天花板,降本速度也有所放緩。而 N 型電池效率天花板較高,電 池工藝和效率提升明顯加快,未來效率提升空間大,隨著國產(chǎn)化設(shè)備成本不斷降低,預(yù)計 將成為未來主流的電池技術(shù)路線。目前實現(xiàn)小規(guī)模量產(chǎn)(>1GW)的新型高效電池主要包括 TOPCon、HJT 和 IBC 三種,HBC、疊層電池暫時還處于實驗室研發(fā)階段。同時,N 型電池技術(shù)組成的疊層電池,轉(zhuǎn)換效率將有進一步提升的空間。

針對 PERC、TOPCon 和 HJT 這幾種主流的技術(shù)路線,我們從效率、成本及工藝等 多個角度對比:

1) 從效率角度看,TOPCon 電池的極限理論效率達到 28.7%,高于 HJT 的 27.5% 和 PERC 的 24.5%。而從目前量產(chǎn)效率看,PERC 已經(jīng)達到 23%附近,TOPCon 和 HJT 已經(jīng)超過 24%,但距極限效率仍有一定差距,效率提升的空間更大;

2) 從工藝角度看,PERC 目前最成熟, TOPCon 需要在 PERC 產(chǎn)線上增加擴散、 刻蝕及沉積設(shè)備改造,成本增加幅度??;而 HJT 電池工藝最簡單、步驟最少(核 心工藝僅 4 步),但基本全部替換掉 PERC 產(chǎn)線,IBC 電池工藝最難最復(fù)雜,需 要是用離子注入工藝提供生產(chǎn)技術(shù)門檻;

3) 從成本角度看,PERC 產(chǎn)業(yè)化最快成本低,TOPCon 電池兼容性最高,可從 PERC/PERT 產(chǎn)線升級,IBC 次之,HJT 電池完全不兼容現(xiàn)有設(shè)備,需要新建產(chǎn) 線,較 PERC 成本高 2.5 億元,較 TOPCon 成本高 2 億元,成本仍有下降空間。

P 型產(chǎn)線轉(zhuǎn)向 N 型電池的關(guān)鍵時點已經(jīng)到來。在光伏行業(yè)持續(xù)降本的進程中,過去五 年是 P 型和 N 型同步賽跑和效率提升的階段,N 型電池的工藝、設(shè)備及材料等因素不具備 性價比。但站在目前時點,P 型電池接近其效率極限,設(shè)備成本下降接近其極限,而隨著 光伏設(shè)備和材料的國產(chǎn)化日趨成熟,對于更高效電池的追求也成為市場的選擇,N 型電池 提效降本空間更大的優(yōu)勢便體現(xiàn)出來,預(yù)計 2021 年將是 N 型電池加速量產(chǎn)的關(guān)鍵時點。

二、TOPCon:延長 PERC 產(chǎn)線周期,具備性價比的路線

效率上限高+設(shè)備成本低,產(chǎn)業(yè)化發(fā)展提速

TOPCon 電池技術(shù),即隧穿氧化層鈍化接觸技術(shù)。由于 PERC 電池金屬電極仍與硅 襯底直接接觸,金屬與半導(dǎo)體的接觸界面由于功函數(shù)失配會產(chǎn)生能帶彎曲,并產(chǎn)生大量的 少子復(fù)合中心,對太陽電池的效率產(chǎn)生負(fù)面影響。因此,有學(xué)者提出電池設(shè)計方案中用薄 膜將金屬與硅襯底隔離的方案減少少子復(fù)合,在電池背面制備一層超薄氧化硅,然后再沉 積一層摻雜硅薄層,二者共同形成了鈍化接觸結(jié)構(gòu)。超薄氧化層可以使多子電子隧穿進入 多晶硅層同時阻擋少子空穴復(fù)合,進而電子在多晶硅層橫向傳輸被金屬收集,極大地降低 金屬接觸復(fù)合電流,提升了電池的開路電壓和短路電流,從而提升電池轉(zhuǎn)化效率。

電池轉(zhuǎn)換效率極限較高,量產(chǎn)提速空間更大。TOPCon 的發(fā)展歷史其實并不長,由德 國 Fraunhofer 研究所的 Frank Feldmann 博士在 2013 年于 28th EU-PVSEC 首次提出 TOPCon 的電池概念。此后,經(jīng)過一系列科研院所的積極研發(fā)推進技術(shù)工藝的逐步成熟和 理論轉(zhuǎn)換效率提升,TOPCon 電池的極限理論效率達到 28.7%,高于 HJT 的 27.5%和 PERC 的 24.5%。而目前晶硅電池產(chǎn)業(yè)化平均效率低于實驗室效率 2 個百分點左右, TOPCon 電池產(chǎn)業(yè)化效率有更高的提升空間。截至 2020 年底,N 型 TOPCon 電池平均轉(zhuǎn) 換效率達到 23.5%,2021 年晶科能源 TOPCon 電池效率達 24.9%。

量產(chǎn)效率提升明顯,2021 年產(chǎn)業(yè)化發(fā)展提速。從目前 TOPCon 量產(chǎn)的情況看,平均 量產(chǎn)效率主要在 24%左右,最高效率達到 24.5%-25%,包括隆基股份、通威股份、天合 光能、晶科能源、中來股份等在內(nèi)的主流電池廠商 2021 年的規(guī)劃產(chǎn)能已經(jīng)達 15GW。目 前最高效率來自隆基的電池研發(fā)中心的 25.09%,單晶硅片商業(yè)化尺寸 TOPCon 電池效率 首次突破 25%,創(chuàng)下最新的世界紀(jì)錄。

從 SNEC 展會調(diào)研了解到,龍頭廠商紛紛布局 TOPCon 產(chǎn)品。根據(jù) 2021 年 SNEC 展臺統(tǒng)計看,包括隆基、英利、中來、天合及晶科等十余家企業(yè)布局并展示了其在 TOPCon 領(lǐng)域的核心產(chǎn)品。從最新的調(diào)研情況看,由于與 PERC 設(shè)備產(chǎn)線的兼容性問題,TOPCon 更受到龍頭廠商的青睞,多家企業(yè)將 TOPCon 應(yīng)用到大尺寸的產(chǎn)品中,轉(zhuǎn)換效率在 21.7%~24%之間,平均效率 22.6%,基本接近。如隆基股份發(fā)布的首款 TOPCon 雙面組 件—Hi-MO N 為例,主要采用 182 尺寸電池片,功率達 570W,量產(chǎn)效率 22.3%。預(yù)計 2021 年 TOPCon 電池產(chǎn)業(yè)化將進一步加速。

兼容 PERC 產(chǎn)線設(shè)備,多技術(shù)并進加速降本

TOPCon 兼容 PERC 產(chǎn)線設(shè)備,是未來 2-3 年最具性價比的技術(shù)路線。國內(nèi) PERC 產(chǎn)線主要從 2018 年開始建設(shè),新建產(chǎn)線大多預(yù)留了 TOPCon 改造空間,而未來的擴產(chǎn)計 劃也紛紛轉(zhuǎn)向 N 型技術(shù)產(chǎn)線建設(shè)。面對目前巨大的 PERC 電池產(chǎn)能,TOPCon 和 PERC 電池技術(shù)和產(chǎn)線設(shè)備兼容性較強,以 PERC 產(chǎn)線現(xiàn)有設(shè)備改造為主,主要新增設(shè)備在非晶 硅沉積的 LPCVD/PECVD 設(shè)備以及鍍膜設(shè)備環(huán)節(jié)。目前 PERC 電池產(chǎn)線單 GW 投資在 1.5-2.0 億元,而僅需 0.5-1 億元即可改造升級為 TOPCon 產(chǎn)線。在面臨大規(guī)模 PERC 產(chǎn)線設(shè)備資產(chǎn)折舊計提壓力下,改造為 TOPCon 拉長設(shè)備使用周期,降低沉沒風(fēng)險,是未來 2-3 年極具性價比的路線選擇。

從產(chǎn)線改造難度看,從 PERC 到 TOPCon 產(chǎn)線,主要增加幾道工序:

1)TOPCon 增加了硼擴散工藝,通過硼磷管式擴散爐制備 P 型發(fā)射結(jié)和 N 型背面,在通過 PECVD 技 術(shù)在正反表面制備鈍化層和減反射膜;

2)需要增加隧穿氧化制結(jié)、離子注入及退火清洗 工藝,超薄氧化層可以使多子電子隧穿進入多晶硅層同時阻擋少子空穴復(fù)合,進而電子在 多晶硅層橫向傳輸被金屬收集,從而提升電池轉(zhuǎn)化效率。

TOPCon 多技術(shù)路線并進,LPCVD 是目前主流工藝。目前 TOPCon 最大的任務(wù)是簡 化工藝降低成本,從目前產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的進展看,LPCVD 是目前主流工藝路線。主要包括 三種工業(yè)化流程:

1) 方法一:本征+擴磷。LPCVD 制備多晶硅膜結(jié)合傳統(tǒng)的全擴散工藝。此工藝成熟 且耗時短,生產(chǎn)效率高,已實現(xiàn)規(guī)?;慨a(chǎn),但繞鍍和成膜速度慢是目前最大的 問題。該技術(shù)為目前TOPCon廠商布局的主流路線,主要是晶科能源和天合光能;

2) 方法二:直接摻雜。LPCVD 制備多晶硅膜結(jié)合擴硼及離子注入磷工藝。離子注入 技術(shù)是單面工藝,摻雜離子無需繞度,但擴硼工藝要比擴磷工藝難度大,需要更 多的擴散爐和兩倍的 LPCVD,投資成本高、良率更高,主要是隆基股份布局;

3) 方法三:原位摻雜。PECVD 制備多晶硅膜并原位摻雜工藝。該方法沉積速度快, 沉積溫度低,還可以用 PECVD 制備多晶硅層,簡化很多流程,實現(xiàn)大幅降本。 但仍存在氣體爆膜現(xiàn)象導(dǎo)致良率偏低,穩(wěn)定性有待進一步觀察,因此產(chǎn)業(yè)化進程 較慢。根據(jù) Solarzoom,目前拉普拉斯、捷佳偉創(chuàng)、金辰股份、無錫微導(dǎo)等國內(nèi) 設(shè)備廠商已經(jīng)布局,后續(xù)有望受益于技術(shù)迭代。

增效降本加速量產(chǎn),進一步打開設(shè)備市場空間

三方面有助于 TOPCon 電池進一步降本。從 TOPCon 電池成本構(gòu)成中來看,硅片、 銀漿及折舊成本分別占比 63%、16%及 4%。目前 TOPCon 的成本高于 PERC 電池 25%-30%,成本下降有賴于以上三方面:

1)硅片大尺寸和薄片化方向有助于硅片成本持 續(xù)下降。TOPCon 電池硅片從 166mm 向 182mm 和 210mm 發(fā)展,尺寸厚度從目前的 170 μm 持續(xù)減??;

2)銀漿替代和用量下降推動成本下降。目前用量 150-180mg,預(yù)計未來 背面用銀鋁漿替代會推動成本下降;

3)目前 TOPCon 電池單 GW 設(shè)備投資額降至 2.5 億 元以內(nèi),預(yù)計未來技術(shù)發(fā)展會帶動設(shè)備價格及折舊成本下降。

產(chǎn)業(yè)化進程加速,設(shè)備廠商受益明顯。TOPCon 作為高效晶硅電池發(fā)展方向之一,實 驗室屢次創(chuàng)下新高,產(chǎn)業(yè)化效率也在進一步提升。目前的 TOPCon 電池技術(shù)方案并未完全 定型,未來工藝流程進一步簡化,并且隨著設(shè)備技術(shù)成熟提升良率,銀漿用量和替代帶來 成本降低,TOPCon 電池成本和市場競爭力將具備明顯優(yōu)勢。目前隆基、晶科、天合及晶 澳等企業(yè)紛紛布局 TOPCon 產(chǎn)能,2021 年量產(chǎn)產(chǎn)能有望達到 15GW。根據(jù) CPIA 預(yù)測數(shù) 據(jù),到 2025 年,TOPCon 產(chǎn)能占比進一步提升至 16%。2019 年開始新擴建的 PERC 產(chǎn) 線都有兼容 TOPCon 升級空間,隨著 TOPCon 產(chǎn)業(yè)化加速,新增產(chǎn)能和存量設(shè)備更新打 開市場空間,龍頭設(shè)備廠商將明顯受益。

三、HJT:國產(chǎn)化降本空間大,有望成下一代主流技術(shù)

HJT 電池優(yōu)勢顯著,正處在產(chǎn)業(yè)爆發(fā)期

HJT 電池技術(shù)經(jīng)歷 30 年的發(fā)展,目前正處在行業(yè)爆發(fā)期。自 1974 年 Walter Fuhs 首次提出 a-Si 和晶體硅融合的 HJT 結(jié)構(gòu)起,到 1989 年三洋獲得專利,HJT 電池技術(shù)經(jīng)歷 了較長時間的技術(shù)壟斷,期間全球各個實驗室在進行積極研發(fā)。直至 2010 年,三洋核心 專利過期,技術(shù)壟斷終于打破,國內(nèi)外開啟了 HJT 電池技術(shù)效率提升的工業(yè)化探索,并于 2017 年開始進行 100MW 級的產(chǎn)業(yè)化試生產(chǎn)線建設(shè)。過去兩年多家公司進入試生產(chǎn)線環(huán)節(jié) 并加大 HJT 電池產(chǎn)業(yè)化的投資力度,HJT 電池技術(shù)迎來快速發(fā)展期。

HJT 電池,即非晶硅薄膜異質(zhì)結(jié)電池,是由兩種不同的半導(dǎo)體材料構(gòu)成異質(zhì)結(jié)。HJT 電池主要由 N 型硅片(c-Si)及基極,在正面、背面都采用非晶硅薄膜(a-Si)形成異質(zhì) 結(jié)結(jié)構(gòu),正面使用本征非晶硅薄膜和 P 型非晶薄膜沉積形成 PN 異質(zhì)結(jié),背面同樣使用本 征非晶硅薄膜和 N 型非晶薄膜形成 N+背場,雙面 TCO 膜及雙面金屬電極。HJT 電池正 背面結(jié)構(gòu)對稱,適合于雙面發(fā)電,較 PERC 電池具有轉(zhuǎn)換效率高、雙面率高、溫度系數(shù)低、 無光衰、弱光效應(yīng)、載流子壽命更長等優(yōu)點。

優(yōu)勢一:雙面率高,光電轉(zhuǎn)換效率高。從目前轉(zhuǎn)換效率看,HJT 電池平均量產(chǎn)效率均 在 24%+,安徽華晟最新的量產(chǎn)批次平均效率 24.7%,最高效率達到 25.06%,通威最高 實現(xiàn)了 25.18%,效率潛力明顯優(yōu)于 PERC 電池。光伏電池的未來發(fā)展趨勢,向更高效率 和更大降本空間的 N 型電池發(fā)展,HJT 是中期最適合的發(fā)展方向之一,未來也有望實現(xiàn)與 鈣鈦礦的疊層產(chǎn)生更高的轉(zhuǎn)換效率。HJT 是雙面對稱結(jié)構(gòu),雙面電池的發(fā)電量要超出單面 電池 10%+,目前雙面率已經(jīng)達到 95%,相比其他工藝路線有明顯的發(fā)電增益優(yōu)勢。根據(jù) Solarzoom 數(shù)據(jù),HJT 電池每 W 發(fā)電量較雙面 PERC 電池高出 2.0~4.0%。

優(yōu)勢二:工藝流程更加簡化,提效降本空間更大。相比 PERC 的 8 道和 TOPCon 的 10 道工藝,HJT 僅需 4 道工序即可完成,從生產(chǎn)效率和產(chǎn)品良率上更有優(yōu)勢和提升空間, 而良率也是目前 TOPCon 產(chǎn)業(yè)化遇到的最大瓶頸。同時,HJT 是在<250℃低溫環(huán)境下制 備,相比于傳統(tǒng) P-N 結(jié)在 900℃高溫下制備,一方面有利于薄片化(未來可實現(xiàn) 100μm 厚度)和降低熱損傷來降低硅片成本,另一方面因能源節(jié)約等因素非硅成本也表現(xiàn)更優(yōu)。

優(yōu)勢三:光衰減低+溫度系數(shù)低,穩(wěn)定性強。HJT 電池通過良好的鍍膜工藝來降低界 面復(fù)合改善 TCO 層及 Ag 接觸性能。測試發(fā)現(xiàn) HJT 電池的 10 年衰減小于 3%,25 年僅下 降 8%,導(dǎo)致全生命周期每 W 發(fā)電量的增益效果明顯。從溫度系數(shù)角度看,能減少太陽光 帶來的熱損失。光伏系統(tǒng)實際工作的溫度是要高于實驗室的標(biāo)準(zhǔn)室溫,而 HJT 電池的溫度 系數(shù)-0.25%,相比 PERC的溫度系數(shù)-0.37%,因此每W 發(fā)電量較 PERC電池平均高3%+。

工藝、設(shè)備及材料共同推動異質(zhì)結(jié)降本

據(jù) Solarzoom 數(shù)據(jù),HJT 電池生產(chǎn)成本 0.9 元/W,高于 PERC 成本的 0.7 元/W,短 期看成本競爭力不足,核心因素在于兩方面:

1) 設(shè)備投資額度大,國產(chǎn)化進行仍在路上。由于 HJT 與目前主流的 PERC 產(chǎn)線不 兼容,因此非晶硅薄膜沉積和 TCO 膜沉積等核心設(shè)備需要重新購置,投資額度相 對較大,但電池效率體現(xiàn)的性價比并未能完全覆蓋。從目前情況看,HJT 單 GW 設(shè)備投資成本在 4.5 億元,相較于 PERC(1.5-2 億元)和 TOPCon(2-2.5 億元) 有很大的成本劣勢。

2) 材料成本偏高,是制約短期產(chǎn)業(yè)化核心之一。成本構(gòu)成看,硅片、漿料、設(shè)備折 舊和靶材成本占比中分別為 47%、25%、12%和 4%。HJT 技術(shù)需要用的 N 型硅 片整體價格偏高,低溫銀漿單片用量超過 200mg,是目前 PERC用量的 2倍以上, TCO 進口材料價格偏高等多個因素共同推升成本。

因此,材料與設(shè)備國產(chǎn)化共同推動 HJT 產(chǎn)線降本:

1) 材料方面降本。降低硅片成本方面,主要來自于硅片薄片化方向的進展,因為 HJT 電池是對稱結(jié)構(gòu),易于薄片化且不影響效率,自目前 175μm 降至 2022 年 130μm 以下,能夠使得 Voc 上升,效率提升成本降低;降低非硅成本方面,主要是銀漿、 TCO 靶材的降本。多柵技術(shù)的銀漿用量有望從 200mg/片下降至 130mg/片,下降 幅度 35%,若無柵技術(shù)、銀包銅技術(shù)導(dǎo)入則降銀漿用量至 100mg/片以內(nèi)。推進 TCO 材料國有化,并改進 TCO 鍍膜環(huán)節(jié)工藝,ITO 靶材的耗用有望降低約 20-30mg/片,靶材成本有望持續(xù)下降。

2) 設(shè)備方面降本。HJT 制作工藝流程大幅簡化,制絨清洗、非晶硅薄膜沉積、TCO 薄膜沉積、電極金屬化四個步驟,分別對應(yīng)的制絨清洗、PECVD、PVD/RPD、 絲印/電鍍四道工藝設(shè)備。隨著邁為、捷佳及鈞石等國內(nèi)設(shè)備廠商積極推進 HJT 整線設(shè)備產(chǎn)業(yè)化,帶動核心設(shè)備價格持續(xù)下降,Solarzoom 預(yù)計 2022 年設(shè)備成 本有望降至 3 億元/GW 以內(nèi),折舊成本下降 0.03 元/W,降本空間超 40%。

總體而言,Solarzoom 預(yù)計 2022 年硅片成本和非硅成本較目前降低 40%+,HJT 電 池總體生產(chǎn)成本從目前的 0.9 元/W 下降至 0.52 元/W,HJT 電池相對于目前主流單晶 PERC 電池的性價比優(yōu)勢有望逐步顯現(xiàn),從而有望實現(xiàn)對于單晶 PERC 的替代。

HJT 產(chǎn)業(yè)化持續(xù)推進,龍頭設(shè)備產(chǎn)商受益

效率提升+設(shè)備降本空間大,HJT 電池產(chǎn)能規(guī)劃超 80GW。HJT 電池產(chǎn)線初期設(shè)備投 資額度大,工藝要求嚴(yán)格,2021 年之前,國內(nèi)外很多電池廠商處在觀望和 MW 級別的試 產(chǎn)線。隨著設(shè)備加速國產(chǎn)化和工藝逐步提升,通威股份、東方日升、安徽華晟、愛康科技 及梅耶博格等國內(nèi)外電池廠商均開始 GW 級別的 HJT 電池產(chǎn)線產(chǎn)能規(guī)劃。截至目前,全 球 HJT 規(guī)劃產(chǎn)能已經(jīng)超過 80GW 的級別。

隨著 2021 年一季度以來,安徽華晟、通威股份等企業(yè) HJT 產(chǎn)線相繼批量生產(chǎn),量產(chǎn) 平均效率實現(xiàn) 24%的突破,并不斷快速提升,降本增效持續(xù)推動產(chǎn)業(yè)化進程。

1) 安徽華晟:采用 M6 尺寸、12BB 量產(chǎn)及銀包銅漿料試產(chǎn)等。500MW 異質(zhì)結(jié)電池 項目于 2020 年 7 月啟動,2021 年 3 月 18 日正式投產(chǎn)出片,目前日均產(chǎn)量水平 在 2 萬片以上,平均效率可以達到 24.12%,最佳工藝批次平均效率達到 24.44%, 最高電池片效率達到 24.72%。6 月 8 日,電池量產(chǎn)批次平均效率達 24.71%,單 片最高效率達 25.06%。公司計劃在二季度產(chǎn)能爬坡至 50%,還將于下半年立即 啟動 2GW 規(guī)模的 HJT 電池+組件擴產(chǎn)。

2) 通威股份:公司目前積極開展包括 HJT、TOPCON 等有可能成為下一代量產(chǎn)主流 技術(shù)路線的中試與轉(zhuǎn)化。根據(jù)公司公告和披露數(shù)據(jù),3 月底 200MW 的 HJT 中試 線試平均效率達 24.3%,最高效率達 25.18%,預(yù)計 2021Q2-Q4 的分季度效率目 標(biāo)分別為 24.6%、24.8%、25%,中試線平均良率達 97.84%,體現(xiàn)出良好的設(shè)備 生產(chǎn)穩(wěn)定性。同時,還將建設(shè) 1GW 的 HJT 中試線于下半年投產(chǎn)。

HJT 設(shè)備國產(chǎn)替代加速,國內(nèi)龍頭廠商明顯受益。HJT 制作工藝流程大幅簡化,制絨 清洗、非晶硅薄膜沉積、TCO 薄膜沉積、電極金屬化四個步驟,分別對應(yīng)制絨清洗、PECVD、 PVD/RPD、絲印/電鍍四道設(shè)備。目前國內(nèi)試產(chǎn)及量產(chǎn)產(chǎn)線基本實現(xiàn)了 HJT 設(shè)備的國產(chǎn)化 替代。從目前量產(chǎn)產(chǎn)線的招標(biāo)設(shè)備情況看,國內(nèi)的邁為股份、捷佳偉創(chuàng)、鈞石能源等廠商 整線化布局基本完善,成為入局的核心設(shè)備供應(yīng)商。

整線設(shè)備國產(chǎn)化加速,龍頭廠商設(shè)備效率持續(xù)提升。近期,經(jīng)德國哈梅林太陽能研究 所(ISFH)測試認(rèn)證,邁為股份研制的異質(zhì)結(jié)太陽能電池片,全面積(大尺寸 M6,274.3cm2) 光電轉(zhuǎn)換效率達到 25.05%,刷新了異質(zhì)結(jié)量產(chǎn)技術(shù)領(lǐng)域的最高紀(jì)錄。邁為股份是第一家 實現(xiàn) HJT 高效電池整線設(shè)備國產(chǎn)化的企業(yè),此次的異質(zhì)結(jié)太陽能電池,全部采用邁為股份 自主研發(fā)的高效異質(zhì)結(jié)電池量產(chǎn)設(shè)備和工藝技術(shù)制成。在量產(chǎn)技術(shù)驅(qū)動下,異質(zhì)結(jié)電池的 可量產(chǎn)效率邁過了 25%這道分水嶺,對于推進異質(zhì)結(jié)的商業(yè)化應(yīng)用,有著里程碑式的意義。

四、IBC、鈣鈦礦及疊層技術(shù),是長期電池技術(shù)路線

IBC 產(chǎn)業(yè)化偏慢,工藝提升與成本下降潛力大

IBC 電池,即交叉指式背接觸電池。電池正面無金屬柵線,發(fā)射極和背場以及對應(yīng)的 正負(fù)金屬電極呈叉指狀集成在電池的背面。電池前表面收集的載流子要穿過襯底遠(yuǎn)距離擴 散至背面電極,所以一般采用少子壽命更高的 N 型單晶硅襯底。這種結(jié)構(gòu)避免了金屬柵線 電極對光線的遮擋,結(jié)合前背表面均采用金字塔結(jié)構(gòu)和抗反射層,最大程度地利用入射光, 具有更高的短路電流,有效提高 IBC 太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率。

IBC 電池工藝流程相對復(fù)雜,核心要解決制備指狀間隔排列的 PN 區(qū),金屬化接觸和 柵線的問題。重點工藝包括擴散摻雜、鈍化鍍膜及金屬化柵線這幾方面:

1) 鈍化鍍膜。前表面場 N+/N 結(jié)構(gòu)的存在可以排斥空穴,較少少子在表面的復(fù)合, 有利于效率提升。電池表面形成 P+/N 結(jié),P 型 FFE 將向襯底中注入一定濃度的 少子空穴,通過增加襯底中的少子空穴濃度來提升電池的短路電流密度;

2) 制備 PN 結(jié)。可采用印刷源漿、光刻、離子注入或激光摻雜等方式形成叉指狀 PN 結(jié)。

①印刷源漿方式:進行 P+區(qū)和 N+區(qū)摻雜具有成本優(yōu)勢,且工藝簡單,但易造 成電池表面缺陷,摻雜效果難以控制,尚未應(yīng)用 IBC 電池;

②光刻技術(shù):具有復(fù) 合低、摻雜類型可控等優(yōu)點,但工藝過程復(fù)雜,工藝難度大;

③離子注入方式: 具有控制精度高、擴散均勻性好等特點,但其設(shè)備昂貴,易造成晶格損傷;

④激 光摻雜:工藝簡單,可常溫制備,但其需要精確對位;

3) 背面金屬化。行業(yè)量產(chǎn)產(chǎn)線采用絲網(wǎng)印刷和銅蒸鍍兩種方式。隨著絲網(wǎng)印刷原輔 材料和設(shè)備的不斷優(yōu)化與更新,IBC 太陽電池背面電極的精確對位問題已經(jīng)得到 解決,這也給背面設(shè)計優(yōu)化與成本控制提供了很大空間,絲網(wǎng)印刷方式的優(yōu)勢逐 漸顯現(xiàn)。

IBC 電池技術(shù)難度與設(shè)備投資成本高,國內(nèi)尚未實現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)。IBC 電池在當(dāng)前各 電池技術(shù)中效率最高,可以達到 25%-26%以上,目前有少部分國內(nèi)外公司進行布局,例 如 SunPower 公司(被中環(huán)收購后吸納技術(shù))、LG、FuturaSun、天合光能等。從目前研發(fā)和量產(chǎn)進展看,美國 SunPower 最早實現(xiàn) IBC 電池量產(chǎn),已經(jīng)研發(fā)了三代 IBC 太陽電池。 其中,2014 年在 N 型 CZ 硅片上制備的第三代 IBC 太陽電池的最高效率達到 25.2%, SunPower 量產(chǎn)效率達 25%,LG 量產(chǎn)效率達 24.5%。國內(nèi)來看,天合光能一直致力于 IBC 單晶硅電池的研發(fā),2017 年 5 月自主研發(fā)的大面積 6 英寸(243.2cm2)N 型單晶硅 IBC 電池效率達到 24.13%;2018 年 2 月,該電池的效率進一步提高到 25.04%。

IBC 電池技術(shù)發(fā)展面臨的問題:

1)對基體材料要求較高,需要較高的少子壽命。因 為 IBC 電池屬于背結(jié)電池,為使光生載流子在到達背面 PN 結(jié)前盡可能少或完全不被復(fù)合 掉,就需要較高的少子擴散長度;

2)IBC 電池對前表面的鈍化要求較高。如果前表面復(fù) 合較高,光生載流子在未到達背面 PN 結(jié)區(qū)之前,已被復(fù)合掉,將會大幅降低電池轉(zhuǎn)換效 率;

3)工藝過程復(fù)雜。背面指交叉狀的 P 區(qū)和 N 區(qū)在制作過程中,需要多次的掩膜和光 刻技術(shù),為了防止漏電,P 區(qū)和 N 區(qū)之間的 gap 區(qū)域也需非常精準(zhǔn),這無疑都增加了工藝 難度;

4)IBC 復(fù)雜的工藝步驟使其制作成本遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)晶體硅電池。

IBC 疊加工藝效率提升潛力大。由于 IBC 電池具備沒有金屬遮擋的結(jié)構(gòu)優(yōu)點,在繼續(xù) 優(yōu)化性能、提升效率的過程中可以與其他電池技術(shù)相結(jié)合。為了進一步優(yōu)化 IBC 電池的整 體復(fù)合,基于 IBC 電池結(jié)構(gòu)衍生新型電池技術(shù)分兩個方向:

1) HBC 電池。將 HIT 非晶硅鈍化技術(shù)與 IBC 相結(jié)合,開發(fā)出 HBC 電池。對比 IBC, 采用氫化非晶硅層作為雙面鈍化層,背部形成局部異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)或側(cè)高開路電壓; 對比 HJT,前表面無電極遮擋,采用減反射層取代透明的導(dǎo)電氧化物薄膜 ,在短 波長范圍內(nèi)光學(xué)損失更少;

2) POLO-IBC 電池。將 TOPCon 鈍化接觸技術(shù)與 IBC 相結(jié)合,研發(fā)出 POLO-IBC (TBC)電池。多晶硅氧化物 (POLO)選擇鈍化接觸技術(shù)是通過生長 SiO2 和 沉積本征多晶硅,采用高溫退火方式使正背面 SiO2鈍化薄層形成局部微孔,通過 微孔和隧穿特性實現(xiàn)電流的導(dǎo)通,能在不損失電流的基礎(chǔ)上提高鈍化效果和開路 電壓, 獲得更高光電轉(zhuǎn)換效率的 IBC 太陽電池。

從轉(zhuǎn)換效率的角度看,兩種電池效率都要比 IBC 電池效率要高很多。近年來,Sharp、 Panasonic 和 Kaneka 公司在 HBC 太陽光電轉(zhuǎn)換電池技術(shù)開發(fā)中獲得的重要進展與具體 電性能參數(shù),平均效率已經(jīng)達到了 26%,2018 年最新的模擬轉(zhuǎn)換效率達到了 27.2%;有報道的 POLO-IBC 電池研究多基于小面積硅片進行,隨著 N 型電池技術(shù)發(fā)展,很多廠商 已經(jīng)開始了大面積電池量產(chǎn)技術(shù)的開發(fā)探索。POLO-IBC 電池具有穩(wěn)定性好、選擇性鈍化 接觸優(yōu)異及與 IBC 技術(shù)兼容性高等優(yōu)勢。

設(shè)備和工藝兼容優(yōu)勢明顯,POLO-IBC 電池更具產(chǎn)業(yè)化潛力。但目前這兩種電池都處 在實驗室研究階段,產(chǎn)業(yè)化進程仍需要解決很多現(xiàn)實的問題。

1)HBC 電池,要解決 HJT 技術(shù)存在的 TCO 靶材和低溫銀漿成本高以及良率低等問題,還需要解決 IBC 技術(shù)嚴(yán)格的 電極隔離、制程復(fù)雜及工藝窗口窄等問題,產(chǎn)業(yè)化進程仍有很長的路要走;

2)POLO-IBC 電池,難點主要集中在背面電極隔離、多晶硅鈍化質(zhì)量的均勻性以及與 IBC 工藝路線的集 成等,隨著設(shè)備不斷更新升級,POLO-IBC 技術(shù)更具有推廣與應(yīng)用潛力。

鈣鈦礦是長期技術(shù)路線,疊層有更高極限效率

鈣鈦礦電池效率高,成本大幅低于晶硅電池。鈣鈦礦太陽能電池的結(jié)構(gòu)來源于染料敏 化電池,以有機金屬鹵化物作為吸光材料,以固態(tài)空穴傳輸材料代替液態(tài)電解質(zhì)。以全固 態(tài)鈣鈦礦結(jié)構(gòu)作為吸光材料的太陽能電池,其能隙約為 1.5eV,消光系數(shù)高,幾百納米厚 的薄膜即可充分吸收 800nm 以下的太陽光。自 2009 年以來,鈣鈦礦電池轉(zhuǎn)化效率從 3.8% 到 29.15%,電池技術(shù)在效率上取得了飛速提升,成本也僅為晶硅電池的十分之一,目前 看商業(yè)化前景比較好。鈣鈦礦/硅雙結(jié)疊層電池實驗室效率在過去的五年中也從 13.7%提升 到 29.15%,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了單結(jié)晶體硅太陽電池的最高效率,且其理論效率高達 42.5%,仍 然有很大的提升空間。

鈣鈦礦未來發(fā)展的關(guān)鍵點在于:

1)提升疊層電池器件中鈣鈦礦頂電池的穩(wěn)定性和大 面積制備成為了技術(shù)開發(fā)的關(guān)鍵所在,也是疊層電池邁向產(chǎn)業(yè)化的基礎(chǔ);

2)鈣鈦礦光電 器件裝備的研發(fā),激光、蒸鍍、磁控和 SALD 設(shè)備和配套工藝方面的積累;

3)鈣鈦礦技 術(shù)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展,需要材料、設(shè)備及鍍膜等合作開發(fā)新型的鍍膜材料及相關(guān)鍍膜設(shè)備,來適 應(yīng)新產(chǎn)品的需求,這是一個漫長且艱辛的過程;

4)傳統(tǒng)鈣鈦礦吸光材料在長期光照加熱 條件下結(jié)構(gòu)極易被破壞,導(dǎo)致電池性能迅速衰減,穩(wěn)定性是個世界難題,這一點纖納光電 近期有所突破,但仍需很長的路要走。

疊層電池未來有望進一步打開轉(zhuǎn)換效率的天花板,轉(zhuǎn)換效率可提升至 30%以上。在疊 加 IBC 技術(shù)成為 HBC 電池的路徑之外,異質(zhì)結(jié)電池也比較適合疊加鈣鈦礦成為疊層/多結(jié) 電池。HJT+鈣鈦礦的疊層電池,能夠解決對更廣泛波長的吸收,低溫工藝,非晶硅和 TCO 鍍膜兼容及電池面積放大等問題上更好的兼容。疊層電池目前還處在實驗室研發(fā)階段,未來有望達到 25%+每 W 硅料節(jié)省,30%+的每 W 銀耗節(jié)省。目前最新的新型 III-V//Si 疊層 電池效率已經(jīng)達到 35.9%,然而如今這種新型電池的生產(chǎn)成本仍明顯高于傳統(tǒng)的單結(jié)晶體 硅太陽能電池。


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