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能源環(huán)境新聞

一文看懂我國太陽能電池激光加工設(shè)備市場情況

星之球科技 來源:全國能源信息平臺2021-07-20 我要評論(0 )   

光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展經(jīng)過轉(zhuǎn)折,如今,在政策推動下整體呈向好趨勢。2020年4月,《關(guān)于做好可再生能源發(fā)展“十四五”規(guī)劃編制工作有關(guān)事項(xiàng)的通知》中提到,力爭在2030年達(dá)到非...

光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展經(jīng)過轉(zhuǎn)折,如今,在政策推動下整體呈向好趨勢。2020年4月,《關(guān)于做好可再生能源發(fā)展“十四五”規(guī)劃編制工作有關(guān)事項(xiàng)的通知》中提到,力爭在2030年達(dá)到非化石能源消費(fèi)占比20%的戰(zhàn)略目標(biāo)?!笆奈濉币?guī)劃提出2030年“碳達(dá)峰”,2060年“碳中和”。而在日前,國家能源局下發(fā)了一則通知,提出開展整縣(市、區(qū))推進(jìn)屋頂分布式光伏建設(shè)。

要實(shí)現(xiàn)“碳中和”,光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展將發(fā)揮巨大作用。

在光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展中,激光技術(shù)應(yīng)用眾多。作為一種高效精確加工方式,激光加工以精確的圖案化局部加工和快速切割能力,成為提升光伏產(chǎn)品轉(zhuǎn)換效率的重要方式。激光加工技術(shù)在太陽能電池生產(chǎn)中主要用于消融、切割、刻邊、摻雜、打孔等工藝。

來源:pixabay

激光加工太陽能電池

太陽能電池是通過光電反應(yīng)將光能轉(zhuǎn)換成電能的能量轉(zhuǎn)換器,太陽能電池轉(zhuǎn)換效率是降低光伏成本的重要因素。在太陽能電池生產(chǎn)中,激光加工技術(shù)主要應(yīng)用于PERC、SE、MWT等電池片工藝,以提高光電轉(zhuǎn)換效率。自PERC+SE工藝和激光劃片工藝普及以來,極大地推動了光伏產(chǎn)業(yè)技術(shù)進(jìn)步。

圖 激光加工工藝在太陽能電池不同環(huán)節(jié)的應(yīng)用情況

來源:帝爾激光招股書

提升太陽能電池光電轉(zhuǎn)化效率的關(guān)鍵在于控制光學(xué)損失和電學(xué)損失,目前,具備產(chǎn)業(yè)化基礎(chǔ)的提升太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率的方式包括PERC、SE、MWT等,根據(jù)中國光伏行業(yè)協(xié)會統(tǒng)計(jì),技術(shù)水平下的效率提升效果如下(數(shù)據(jù)來源于帝爾激光2019招股說明書)。

就在近期,通威集團(tuán)旗下的通威太陽能利用PERC量產(chǎn)設(shè)備,通過電池制程工藝創(chuàng)新,M6大尺寸全面積(Area=274.50cm)電池轉(zhuǎn)化效率可達(dá)23.47%,經(jīng)ISO/IEC 17025第三方國際權(quán)威機(jī)構(gòu)認(rèn)證,創(chuàng)造了M6大尺寸全面積產(chǎn)業(yè)化PERC電池效率的世界紀(jì)錄。

PERC激光消融工藝

PERC高效太陽能電池是通過在電池背面增加鈍化層,一方面阻止載流子在一些高復(fù)合區(qū)域(如電池表面與金屬電極的接觸處)的復(fù)合行為,減少電損失;另一方面同時可以增強(qiáng)電池下表面光反射,減少光損失,從而提高電池的轉(zhuǎn)換效率,提高電池的性能。

早期實(shí)驗(yàn)室的濕法刻蝕工藝,產(chǎn)業(yè)化難度和成本高。此外,采用激光也要求激光加工能夠定位最優(yōu)化的能量密度分布,精確控制作用時間,并保證每個脈沖嚴(yán)格一致。只有特制的激光器和光路控制,配合長期積累的工藝經(jīng)驗(yàn),才能得到最佳的電池性能。迅速定位與特定材料加工匹配的微納級激光加工技術(shù)和適應(yīng)高效生產(chǎn)的控制系統(tǒng)是PERC電池激光加工設(shè)備的技術(shù)核心,同時也是高效太陽能電池實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的保證。

圖 標(biāo)準(zhǔn)光伏電池與PERC光伏電池 來源:ISFH

在PERC技術(shù)中,難點(diǎn)之一是背面電極透過鈍化層實(shí)現(xiàn)微納級高精度的局部接觸。加工過程中,在對鈍化膜精密刻蝕的同時,不能損傷到硅襯底材料,否則會影響電池片最終轉(zhuǎn)化效率。

相對于傳統(tǒng)工藝的太陽能電池制造,PERC高效太陽能電池制造只需要增加氧化鋁鍍膜設(shè)備、激光加工設(shè)備及其它少量輔助設(shè)備即可完成生產(chǎn)線的升級和改造,可以兼容現(xiàn)有生產(chǎn)線,有利于以相對較低的成本提升電池技術(shù)參數(shù)和生產(chǎn)效率,對太陽能電池制造企業(yè)具有很強(qiáng)的吸引力。

SE摻雜工藝

SE電池(選擇性擴(kuò)散電池)是通過在晶硅太陽能電池電極柵線與硅片接觸部位區(qū)域進(jìn)行高濃度磷摻雜,從而降低電極和硅片之間的接觸電阻;電極以外區(qū)域進(jìn)行低濃度淺摻雜,降低表面復(fù)合速率,從而有效實(shí)現(xiàn)電池的開壓、電流和填充因子的改善,提高光電轉(zhuǎn)換效率。

SE電池制備的主要工藝方法包括絲網(wǎng)印刷摻雜源高溫?cái)U(kuò)散法,離子注入法和激光摻雜法等。激光摻雜具有提效明顯、工藝流程簡單、投入成本低、設(shè)備緊湊、占地面積小、無污染,與傳統(tǒng)太陽能電池生產(chǎn)線相兼容性強(qiáng)等特點(diǎn),因而逐漸成為了行業(yè)主流的選擇性發(fā)射極制備方式。

MWT工藝

MWT(金屬穿孔卷繞技術(shù)),用以制備背接觸MWT電池,該技術(shù)采用激光打孔、背面布線的技術(shù)消除正面電極的主柵線,正面電極細(xì)柵線搜集的電流通過孔洞中的銀漿引到背面,這樣電池的正負(fù)電極點(diǎn)都分布在電池片的背面,有效減少了正面柵線的遮光,提高了光電轉(zhuǎn)化效率,同時降低了銀漿的耗量和金屬電極-發(fā)射極界面的載流子復(fù)合損失。

圖 P型硅MWT電池結(jié)構(gòu)示意圖

來源:帝爾激光招股書

和常規(guī)組件相比,MWT電池制造省去了復(fù)雜的高溫焊接過程,更容易實(shí)現(xiàn)自動化和更高產(chǎn)能,降低破片率。

MWT電池制造中在硅片、銅箔和封裝材料中做精準(zhǔn)打孔是重要步驟。低功率、短波長的激光器打孔的質(zhì)量好、熱損傷小,但速度慢、成本高,不適合規(guī)?;a(chǎn);高功率、長波長的激光器打孔速度最快,但熱損傷大,容易產(chǎn)生隱裂,影響產(chǎn)品質(zhì)量。選擇穩(wěn)定性最佳的激光器,性價比最佳的波長,調(diào)整合適的功率、頻率和脈寬、光束質(zhì)量等參數(shù)是做好MWT電池的基礎(chǔ)。

圖 P型硅基MWT電池基本工藝流程

LID/R工藝

該工藝通過超高功率光照射電池片,產(chǎn)生大量光生載流子來改變體內(nèi)氫的價態(tài),快速實(shí)現(xiàn)硼氧結(jié)構(gòu)由高活性的復(fù)合體轉(zhuǎn)變?yōu)榈突钚缘脑偕鷳B(tài),以達(dá)到降低光致衰減目的。激光因高光強(qiáng)、方向性好、能量轉(zhuǎn)換效率高等特性,在LID/R技術(shù)工藝中有較好的應(yīng)用效果。利用激光在太陽能電池上實(shí)現(xiàn)LID/R從實(shí)驗(yàn)室到量產(chǎn)階段需有快速精準(zhǔn)的激光自動化溫控系統(tǒng)及商業(yè)電池面積尺寸的均勻光照能量覆蓋,其實(shí)現(xiàn)難度較大。

劃片/裂片工藝

組件技術(shù)是未來效率提升的重要發(fā)展方向,半片、疊瓦、拼片等組件技術(shù)相繼亮相并發(fā)展。

半片組件是指將電池對切后串聯(lián)起來的技術(shù),因電池片面積減小一半,電流降為原來1/2,串聯(lián)電阻引起的內(nèi)部損耗降低為整片電池的1/4,進(jìn)而提升組件功率。因高效太陽能電池的輸出電流更高,組件封裝損耗大于常規(guī)電池,將半片技術(shù)應(yīng)用于高效太陽能電池后增益效果也更加明顯。

疊瓦組件是指將太陽能電池在優(yōu)化柵線設(shè)計(jì)后切成多個小片,然后將每小片以類似導(dǎo)電膠的方式疊加串聯(lián),通過串并聯(lián)的方式做成組件,令電池間的縫隙降到最低,因此在同樣的單位面積中可以鋪設(shè)更多電池,增加組件輸出功率。

利用激光可以實(shí)現(xiàn)電池片半片或多片的自動切割、裂片。為了將切片前后電池性能損失降到最小,半片的切片工藝對于激光切割方向、深度、熱影響區(qū)、切割面形貌等有嚴(yán)格要求。相較而言,疊瓦的加工工藝難度更高,需在半片工藝的基礎(chǔ)上大幅提高對激光圖形重復(fù)和定位精度的要求。

布局光伏激光設(shè)備企業(yè)

帝爾激光

帝爾激光是成立于2008年4月25日,主營業(yè)務(wù)為精密激光加工解決方案的設(shè)計(jì)及其配套設(shè)備的研發(fā)、生產(chǎn)和銷售,主營產(chǎn)品為應(yīng)用于光伏領(lǐng)域的精密激光加工設(shè)備?,F(xiàn)已成為光伏領(lǐng)域精密激光加工設(shè)備龍頭,具備強(qiáng)勢的市場競爭地位和過硬的產(chǎn)品競爭力。除武漢總部外,公司分別在無錫、以色列特拉維夫設(shè)立全資子公司。2020年,帝爾激光入選工信部等國家六部委“智能光伏試點(diǎn)示范企業(yè)”。

帝爾激光的主要產(chǎn)品包括PERC激光消融設(shè)備、SE激光摻雜設(shè)備、MWT系列激光設(shè)備、全自動高速激光劃片/裂片機(jī)、LID/R激光修復(fù)設(shè)備、激光擴(kuò)硼設(shè)備等激光設(shè)備。同時,已成功將激光加工技術(shù)應(yīng)用到PERC、MWT、TOPCON、IBC、HJT等新型高效太陽能電池及組件技術(shù)。2020年,在國內(nèi)主要光伏電池廠商的PERC工藝產(chǎn)線上,公司的PERC激光消融和SE摻雜設(shè)備延續(xù)以前年度較高的市占率。

公司針對不同的電池工藝均有開展研發(fā),繼續(xù)加深P型PERC電池工藝的研發(fā),包括PERC+工藝等,也對Topcon、HJT等N型電池工藝進(jìn)行相應(yīng)的技術(shù)研究,同時積極跟進(jìn)市場降本增效動向,加強(qiáng)太陽能電池激光LID/R(激光修復(fù))技術(shù)、激光轉(zhuǎn)移印刷技術(shù)、無損劃片技術(shù)的研發(fā),以及激光在電池片生產(chǎn)環(huán)節(jié)的其他應(yīng)用,進(jìn)一步拓展了公司技術(shù)儲備。

2020年12月,帝爾激光發(fā)布公告稱,擬募資總額不超過8.4億元,投資于高效太陽能、電池激光印刷技術(shù)應(yīng)用研發(fā)項(xiàng)目、新型顯示行業(yè)激光技術(shù)及設(shè)備應(yīng)用研發(fā)項(xiàng)目并補(bǔ)充流動資金。項(xiàng)目預(yù)計(jì)建設(shè)期為3年,2023年投入完成。

大族激光

大族激光作為激光、機(jī)器人及自動化智能制造解決方案提供商,在光伏行業(yè)激光加工設(shè)備主要包括劃裂機(jī)、開膜機(jī)、摻雜機(jī)等,并已形成批量銷售,取得了隆基股份、通威股份等行業(yè)大客戶訂單。

2020年公司顯示面板及半導(dǎo)體相關(guān)業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)營業(yè)收入10.27億元,較上年度增長6.67%。其中,光伏行業(yè)激光加工設(shè)備實(shí)現(xiàn)營業(yè)收入1.19億元,同比增長88.59%,劃裂機(jī)、開膜摻雜機(jī)等設(shè)備形成批量銷售。

大族激光緊跟市場需求與趨勢,組件效率的提升也是實(shí)現(xiàn)光伏平價上網(wǎng)的有效手段之一。下游廠商對激光劃裂技術(shù)提出更嚴(yán)苛的要求,主要體現(xiàn)在增強(qiáng)電池片機(jī)械強(qiáng)度上。大族光伏裝備憑借多年的技術(shù)沉淀,根據(jù)市場需求,研制出創(chuàng)新的無損激光劃裂技術(shù)。該技術(shù)已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化,通過嚴(yán)苛的大尺寸、高密度封裝工藝驗(yàn)證,成功打入市場。大族光伏裝備的無損激光劃裂設(shè)備適用于156mm×156mm-230mm×230mm電池片。該加工技術(shù)采用應(yīng)力切割原理,不存在激光熱燒蝕和機(jī)械裂片過程,可使電池片應(yīng)力斷面干凈、整潔,沒有任何損傷點(diǎn),極大地提高了電池片的機(jī)械強(qiáng)度,保證了組件加工的良率和可靠性。

圖 無損激光劃裂硅片切割面圖

來源:大族光伏裝備

盛雄激光

盛雄激光成立于2008年4月8日,致力于打造中國先進(jìn)的裝備智造商。近期,盛雄激光入選2021年工信部首批國家級專精特新”小巨人“企業(yè)。針對光伏行業(yè),盛雄激光研制的光伏激光開槽機(jī)主要用于高效太陽能電池(主要是PERC電池)的背開槽環(huán)節(jié)。這款設(shè)備有著更高的重復(fù)頻率(自主研發(fā)激光器,最大可達(dá)2MHz)、更高的產(chǎn)能(每小時產(chǎn)能大于7500uph)、更低的隱裂風(fēng)險(小于0.01%)和更高的性價比(皮秒性能,納秒價格)。光伏激光摻雜機(jī)主要用于高效太陽能電池正面摻雜環(huán)節(jié)。該款設(shè)備采用德國進(jìn)口光學(xué)器件,使聚焦方形光斑更均勻(≤5um),激光后擴(kuò)散方阻可調(diào)(方阻降幅≥50Ω)。

6月,在“SNEC第十五屆國際太陽能光伏與智慧能源(上海)展覽會暨論壇”上,公司展出了其自由研發(fā)的光伏行業(yè)成熟的激光開槽與激光摻雜技術(shù)解決方案。該款由公司研發(fā)的激光PSG摻雜設(shè)備,工藝效果極佳,穩(wěn)定性高,最大特點(diǎn)在于模塊化設(shè)計(jì),使用進(jìn)口的光學(xué)器件。

三工光電

武漢三工光電設(shè)備制造有限公司成立于2005年,是國家認(rèn)定的高新技術(shù)企業(yè),863項(xiàng)目承擔(dān)單位,擁有自營進(jìn)出口權(quán)。三工光電致力于激光加工設(shè)備和太陽能成套設(shè)備的研發(fā)生產(chǎn),主要產(chǎn)品包括太陽能電池串焊機(jī)、激光劃片機(jī)等。

除上述企業(yè)外,還有一些激光企業(yè)同樣已有產(chǎn)品應(yīng)用于光伏領(lǐng)域。近期剛在深交所創(chuàng)業(yè)板上市的英諾激光在回答投資者提問中,表示公司產(chǎn)品已應(yīng)用于光伏領(lǐng)域。據(jù)公司官網(wǎng)信息,PERC電池激光開槽應(yīng)用,能夠?qū)崿F(xiàn)高質(zhì)量選擇性打孔,點(diǎn)直徑為25-35μm,線速度可達(dá)30m/s;銳科激光、華工科技產(chǎn)品已應(yīng)用在光伏領(lǐng)域的硅片切割中;江蘇啟瀾激光、珠?;浢す庖灿邢嚓P(guān)光伏激光設(shè)備。

隨著中國光伏行業(yè)逐步發(fā)展成熟,并在全球范圍內(nèi)取得領(lǐng)先優(yōu)勢。技術(shù)發(fā)展、減碳目標(biāo)和政策導(dǎo)向?qū)⑦M(jìn)一步帶動光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展。光伏產(chǎn)業(yè)降本增效的需求,也將進(jìn)一步驅(qū)動對光伏激光設(shè)備的需求。根據(jù)PV Infolink研究報告,至2021年,全球光伏電池產(chǎn)能將達(dá)到約187GW,其中PERC電池產(chǎn)能預(yù)計(jì)約為126GW左右,占比約67%。另外,SE與電池片產(chǎn)線的強(qiáng)兼容性,可以給PERC電池片發(fā)展帶來更多上升空間,至2021年預(yù)計(jì)有110GW左右的電池產(chǎn)能將搭載SE工藝,PERC、SE高效太陽能電池工藝對應(yīng)的激光加工設(shè)備市場容量合計(jì)超過38億元。再加上MWT、LID/R、半片、疊瓦、擴(kuò)硼等高效太陽能電池工藝,高效太陽能電池激光加工設(shè)備的市場總量有望超過58億元。

幾十億元市場,誰將受益?光伏激光設(shè)備龍頭企業(yè)如專注于此領(lǐng)域的帝爾激光,具備領(lǐng)先優(yōu)勢,通過技術(shù)研發(fā)滿足下游客戶需求,將直接受益于光伏行業(yè)的發(fā)展。


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