从产业发展规律看,一种电池技术若要成为有竞争力的主流技术,需要能够达到降低LCOE的目标,即降低成本的同时提升发电效率。太阳能电池转换效率损失的主要原因包括载流子损失、欧姆损失和光学损失,改善的途径主要有:减少反射损失,如:采用减反膜、采用凹凸结构;表面钝化技术;减少投射损失;设计p-i-n结构;采用纳米结构;增加导电通路,减少遮光损失等方式。从成本角度看,电池片成本的下降来源于原材料成本降低、设备效率提升和成本下降、工艺成本降低以及电池转换效率的提高。“PERC+”打开转换效率优化空间:太阳能光伏电池已步入“PERC+”时代,SE、MWT、双面以及各类镀膜技术的引入(P-TOPCon),使得“PERC+电池”在终端降本提效的趋势下依然保持着生命力。产业界研究及实践经验表明,通过提升硅片性能、改善背面钝化层(如:调整与钝化层匹配的热处理工艺、优化背面钝化层减少表面缺陷态密度、P区超薄氧化硅钝化层制备及遂穿控制、P区非晶硅或多晶硅层制备等)、优化反射膜层、改善正面钝化层、优化发射极、采用先进的金属化方案(MBB优化设计、浆料升级、印刷方式革新)等方式,“PERC+电池”转换效率仍有进一步提升空间。据隆基股份预测,未来PERC电池转换效率有望实现从22.92%向24%以上的提升。
210硅片摊薄电池端非硅成本,深挖PERC成本下降潜力:硅片尺寸扩大可摊薄电池端非硅成本,使得电池片单瓦成本进一步下降。以G12为例,面积相比M2增加80.5%,设备投资成本降低30%,意味着单瓦折旧成本有望降低60%左右,可有效摊薄非硅成本,进一步提升PERC电池性价比。
2)TOPCon:
TOPCon电池已实现GW级量产,部分主流厂商规划尝试TOPCon量产可行性。相比PERC,TOPCon电池生产工艺的改变主要在于:增加了隧穿氧化物沉积、多晶硅沉积、硼扩工序,同时需增加湿法刻蚀步骤来应对非晶硅的绕镀问题。理论上,TOPCon技术仅需在现有产线基础上增加薄膜沉积设备、硼扩散炉和湿法刻蚀设备即可实现产线升级。目前LG、天合光能、REC、中来已实现TOPCon量产,其中中来拥有2.4GW产能。
TOPCon各环节工艺及国产设备发展已较为成熟:
- 隧穿氧化物的制备:主要以热氧工艺为主,基本可集成在LPCVD机台中实现;
- 多晶硅沉积:可分为两种方式,一种是先进行非晶硅层生长,而后通过扩散炉晶化并通入磷源进行掺杂,另一种是通入磷源实现原位掺杂,而后退火晶化。实际工业生产中,非晶硅沉积主要利用LPCVD设备实现,缺点在于沉积过程中存在绕镀现象。
- 湿法刻蚀:由于非晶硅沉积存在绕镀,实际量产中采用湿法刻蚀工艺对绕镀的非晶硅进行刻蚀。
- 硼扩是TOPCon生产的另一关键点,用于在N型硅片上形成发射极:相比于磷扩散炉,硼扩散炉需要做更多的改进和优化,硼扩所需温度高,周期长使得产能较低,同时对扩散均匀性的控制难度加大。在前驱体的选择上,Tempress和Centrotherm主要采用三溴化硼,由此产生的硼硅玻璃易使石英件粘黏,减少设备的正常运行时间,通过减少前驱体的消耗量可以得到较好的解决。Semco、拉普拉斯将气体形式的三氯化硼作为前驱体,产生的BSG更易去除,可降低设备的运营成本和维护成本,但容易形成腐蚀性和安全问题。目前硼扩散技术已经较为成熟,SEMCO、CT、捷佳伟创、Tempress、拉普拉斯均可提供低压扩散炉。
薄膜沉积设备逐步突破,提效降本前景可期:在TOPCon电池制造工艺中,LPCVD技术被大量应用于非晶硅沉积的量产实践中。目前用于TOPCon技术的LPCVD设备均可以同时生长隧穿氧化物和多晶硅薄膜且不破坏真空,同时还可以实现多晶硅掺杂,缺点在于沉积过程会产生绕镀,主要生产厂家包括Centrotherm、捷佳伟创、SEMCO和Tempress。新设备进展方面,近期微导研发的全球首台适用于TOPCon技术的ALD设备正式进入量产阶段,产品已交客户使用。据公司官方微信显示,该镀膜平台(祝融系列)兼容PERC与TOPCon两种工艺,在原有PERC工艺上新增一台祝融平台、清洗机以及硼扩设备,即可完成TOPCon电池正面氧化铝/氮化硅、背面隧穿氧化层/多晶硅与氮化硅的钝化,相比于传统LPCVD设备沉积技术,可大幅改善N型电池正面多晶硅绕镀面积与掺杂多晶硅镀膜速率降低的影响, 且掺杂钝化效果优于传统磷扩散工艺,具备综合的正背面钝化能力。我们预计,随着设备性能的优化,TOPCon技术成本仍有下降潜力。
TOPCon工业量产效率再提升,或提振下游尝试积极性,建议关注后续产业化进展:TOPCon大规模推广的难点在于:1)主流量产转换效率绝对值较PERC高出1%,但成本较高,性价比优势尚不明显;2)技术路线多样,电池厂商对于技术路线的选择尚处于观望状态。其一,中来TOPCon电池量产效率于今年3月突破23.5%,研发效率方面,宁波材料实验室针对PECVD工艺路线开发出了效率24.27%的N型TOPCon电池;其二,关键的薄膜沉积国产设备效率取得进一步进展,据PVInfolink统计,TOPCon单GW投资在3~3.5亿元左右,我们预计随着设备效率提升和价格下降,单GW投资金额降低至3亿元以下是可以期待的;其三,MBB技术和无主栅技术的使用有望减少银浆耗量,TOPCon电池由于需要在两面使用银浆,双面银浆耗量约为130~150mg/片,相比于PERC(银浆耗量约85mg/片)成本劣势比较明显。中来已实现GW级以上的量产,经验数据得以积累,量产效率进一步提升,新的产线已开始建设,或对TOPCon未来确定最优技术路线、进一步降本起到示范作用。我们认为,TOPCon与现有PERC产线兼容性高,若未来技术性价比提升超越PERC,则有望激发现有产线改造需求,延长现有产线生命周期,建议积极关注后续产业化进展。3)HJT电池:
HIT工艺步骤简单,仅有制绒清洗、非晶硅薄膜沉积、透明导电膜制备和丝网印刷四步,通威、晋能、钧石、中智、国电投等厂商建立了MW级试验线积极探索HJT大规模量产途径,经过近年来的工艺实践,HIT降本路径已逐步清晰,降本挖潜空间巨大。制绒清洗环节,双氧水+臭氧工艺效果更佳,有望成为主流路线:HIT电池非晶硅/晶硅界面钝化质量高,对硅片品质和表面清洁度、金字塔形貌控制提出更高要求,大尺寸绒面可以提升钝化效果,增加绒面反射率,需要精确优化和控制绒面尺寸以最大化电池效率,因此HIT对清洗工艺要求也更为严格。针对异质结工艺的硅片清洗主要是RCA和臭氧清洗两种,RCA工艺中所使用的氨水和过氧化氢具有较强的挥发性,在SC1和SC2工序超过60℃的温度下会带来较大的消耗,因而清洗成本更高。臭氧清洗工艺使用臭氧和氢氟酸溶液代替氨水、过氧化氢和硝酸,生产过程更加环保,且对有机杂质和金属杂质的去除效果更好。此外,臭氧/氢氟酸可实现各向同性的轻微刻蚀,有效地去除富含晶体缺陷的区域,从而提高界面钝化效果。从目前HIT实际生产情况看,双氧水+臭氧工艺清洗效果稳定,单片清洗成本可降至0.22~0.3元,仅为双氧水+氨氮工艺成本的一半左右,而纯臭氧工艺量产厂家还相对较少,但纯臭氧工艺能够减少过氧化氢的使用,若能克服现有工艺缺点,则能够进一步降低化学品耗量。本征非晶硅沉积是HIT电池制备的关键:这一步骤的作用在于实现异质结界面的良好钝化,以获得高效率的异质结电池。本征非晶硅薄膜沉积采用化学气相沉积法,根据所用设备的不同,可分为PECVD和HWCVD两种,目前PECVD为主流路线。HWCVD沉积基于热丝对反应气体的热分解,无等离子体对基底的轰击过程,有助于形成高质量、突变明显的氢化非晶硅/晶体硅界面,HWCVD能够形成高密度氢原子从而提升钝化效果。此外,HWCVD气体利用率高,硅粉尘更少,有利于设备后期的维护和保养。实际生产过程中,通过在热丝两侧设置载板,可实现双侧沉积,优化设备产能。但HWCVD的劣势在于,镀膜均匀性不及PECVD,另外热丝使用过程中不可避免地老化和损耗问题,制约了设备的uptime,增加了设备的运行成本,目前松下的量产技术采用了HWCVD法。TCO主要改进在于沉积方法和材料。HIT表面的TCO薄膜的作用为收集光生载流子并将其输送到金属电极上,导电性好、透过率高是TCO薄膜需要具备的关键特性。在工艺方面,目前主要采用PVD(磁控溅射)和RPD(反应等离子体沉积法)两种方式,PVD利用经过加速的高能粒子轰击靶材,使靶材表面的原子脱离晶格逸出沉积在衬底表面发生反应而形成薄膜;RPD法利用等离子体枪产生氩等离子体,氩等离子体进入生长腔后,在磁场作用下轰击靶材,靶材升华形成蒸气实现薄膜沉积。PVD技术的优势在于设备成本较低,成膜均匀性更好,镀膜工艺稳定,能够满足大规模产业化需求,但由于等离子体中包含大量高能粒子,会对基板表面产生强烈的轰击刻蚀作用。而RPD技术的等离子体能量分布相对集中且离化率更高,高能离子较少,表现出低离子损伤的优良特性。同等条件下,RPD技术制备的TCO薄膜结构更加致密、结晶度更高、表面更加光滑、导电性更高、光学透过率更好。此外,RPD方法还具备低沉积温度、高速生长等优点,缺点在于设备成本较高。PVD为当前HIT主流方向,成本下降后RPD优势有望显现。从效率上看,RPD效率相比使用ITO的PVD可提升0.4%~0.5%,若叠加托盘优化改进,效率优势将进一步拉大至0.6%~0.7%,但受多方因素影响,RPD在实际产业化推广中不及PVD,主要原因在于:一是PVD设备成熟稳定,投资成本更低,PVD设备可实现双面薄膜沉积,因此容易扩大沉积面积,而RPD设备为自下而上的单侧沉积,设备产能更低,投资成本更高;二是核心部件及靶材受制于专利。RPD设备的沉积面积是单个等离子枪单元宽度的2.5倍,因此为提升单台设备产能,需要配置更多的等离子枪,而等离子枪这一核心部件的技术专利长期由日本住友把持,目前捷佳伟创已获得等离子枪技术许可并成功研发制造了RPD设备。靶材方面,PVD所用的ITO靶材生产企业较多,国产化程度高,但效率偏低;RPD所用的IWO过去主要依赖进口,目前已逐步开始国产化,IWO国产化后单片电池片成本下降空间更大。低温银浆及无主栅设计挖掘HIT金属化改良潜力:栅线设计方面主要考虑遮光与导电之间的平衡,细化栅线可减少遮光,但电阻损失增大,多主栅技术通过增加主栅数量、细化主栅宽度,在减少遮光的同时减少了电流在细栅中经过的距离和每条主栅承载的电流,进而降低了电阻损失和单位银耗量。研究表明,多主栅技术在电池端转换效率可提升大约0.2%,节省正银耗量25%~35%。细栅宽度受制于网印工艺和主栅需要发挥连接焊带作用的影响,继续增加主栅数量并保证遮光损失和材料成本不增长已面临着较大的限制。除多主栅技术外,为进一步减少正面遮挡和降低银浆消耗量,无主栅技术和镀铜工艺成为改善异质结电池金属化环节的有效手段。无主栅技术保留正面传统的丝网印刷,制作底层细栅线,然后通过不同方法将多条垂直于细栅的栅线覆盖在细栅之上,形成交叉的网格结构,以金属线代替传统焊带,汇集电流的同时实现电池互联。梅耶博格的SWCT技术将内嵌铜线的聚合物薄膜覆盖在HIT电池正面,在组件层压过程中,依靠层压机的压力和温度使铜线和丝网印刷的细栅线直接结合在一起,铜线代替了银主栅,节省了材料成本。据梅耶博格官网介绍,SWCT可将组件封装后的电池片性能提高6%,耗银量最高可减少83%。进一步地,还可以在沉积TCO膜后,直接贴合低温合金包覆的铜丝,在热压下促进与TCO形成良好的欧姆接触,将大大降低成本。
除无主栅技术外,电镀铜技术也可实现HIT金属化环节的成本优化,Kaneka与IMEC合作利用铜电镀技术制作异质结电池的正面栅线,效率达到23.5%,但镀铜工艺复杂且存在环保问题,钧石能源在500MW异质结生产线中采用了电镀技术。2019年12月,国家电投成功下线的C-HJT电池在栅线材料上以铜代替了银浆,实现了成本降低。
HIT属于低温工艺,正背表面电极印刷时均需要使用低温银浆(银含量高于高温银浆),进口低温银浆价格6800~7000元/kg左右,而高温银浆价格仅5000元/kg左右,较高的银浆耗量和成本也是HIT电池成本较高的原因之一。目前,国内生产低温银浆的厂商主要有苏州晶银、首骋、常州聚合等,预计未来低温银浆国产化后仍有进一步降本空间。
从电池效率和耗费银浆成本看,SWCT已具备较为明显的优势,而MBB相比于5BB也实现了较好的电池效率提升、组件端效率增益以及银浆成本的下降。现阶段MBB技术在国内产线实际生产中可靠性已获得验证。整体而言,从技术趋势角度看,PERC电池通过SE、MWT、双面、P-TOPCon技术等方式,转换效率仍有提升潜力可待挖掘,短期而言仍有望稳居主流地位;中长期来看,N型电池具有更高的转换效率极限,相比PERC具有更大提升空间,有望成为下一代主流电池技术,而成本因素使得目前N型技术性价比仍然偏低,目前N型电池组件主要应用于国内大型地面电站、海外户用、工商业屋顶分布式等高端小众市场,未来向大众市场进一步渗透则需依赖于N型技术降本继续突破。我们认为,TOPCon、HJT技术降本路径已逐步明晰,未来需求大规模释放时点仍有待进一步观察,产业化进度受效率提升、成本下降进度、产线初始投资等诸多因素影响,跟踪主要环节降本进度是关键,建议积极关注。来源:华创机械