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光伏行业专题报告:电池技术 引领下一阶段光伏提效、降本

(报告出品方:光大证券)

电池技术:引领下一阶段光伏提效、降本

(1)“提效、降本”是光伏产业发展的核心,规模化与技术进步相互促进。我国已在光伏规模化方面全球领先,技术 方面如何“提效”则是下一阶段的重点。在投资中,我们需要重点判断是“某项技术保持超额收益的持续时间” 。

(2)硅料:在电池新技术的引领下,p型料到n型料的发展是大趋势,对提纯的要求更高;颗粒硅虽然在降本上体现 了一定优势,但品质也需要进一步提升。硅片:大尺寸、薄片化是重要的发展趋势,连续拉晶则是提效的重要手段。 电池: TOPCon、HJT、IBC等技术将开启对PERC的逐步替代,不同厂商基于自身策略进行选择,呈现各家争鸣的态 势;材料及工艺的选择将持续推动电池技术进步。组件:叠瓦、MBB技术以及适配更多应用场景的组件产品将持续推 出。

2022年n型电池出货量市占率有望达11%,主要以TOPCon产品放量为主。观察已投产n型技术的企业,布局HJT的新进企 业多数为中试线水平,HJT中试线生产良率达到98%-99%,大规模量产的良率波动在80%-90%之间,生产良率、稼动率 仍有待改善;而TOPCon进入者多为一体化企业,预计后续扩产计划也都为TOPCon预留升级空间,且扩产的GW级产线相 对较多,中短期来看TOPCon产能的实际放量将高于HJT的产能。根据CPIA预测2025年TOPCon+HJT产能将达到35%的 比重。

n型硅片技术对比p型硅片更倾向于半导体化,n型电池片可以实现更高的理论转化效率,且具有寿命高、温度系数低、光 衰减系数低、弱光响应等综合优势,不仅BOS成本更低,n型电池在全生命周期内的发电量也高于p型。n型硅片制备更贴 近于半导体材料,一方面它具有更高的少子寿命、更低的氧碳含量、还有更加集中的电阻率分布,对材料提出了更高的要 求,一般要达到电子级2级要求。在制作n型技术电池上,大家更多采用差异化的产品设计,材料端、电池端、组件端的产 业链相互配合,标准和要求才能进一步提高,所以当前更需要建成n型的产品生态。

n型硅片成本和售价一般比p型硅片高出约6-10%。成本高的原因:掺杂磷且均匀性要求提高(分凝系数磷0.35<硼0.8-1)、 纯度要求提高、客户要求各异、工艺难度在增加、硅棒也短一些增加成本。

根据中环股份业绩汇报材料:

(一)少子寿命影响因素及改善目标:

(1)从原料方面:1)原生多晶:体表金属含量控制;2)回收料:清洗质量控制。

(2)单晶工艺方面:1)拉晶棒长设定;2)拉晶颗次设定。

(3)热场、工装影响:热场、工装夹具纯度以及材质的优化都可以降低拉晶过程中对于微量杂质的引入。

(4)电阻率范围差异化:掺杂剂浓度越高电阻率越低,少子寿命呈降低趋势,不同电阻率范围少子寿命差异巨大。

(二)氧含量的控制:

反映出材料的纯度,同时在越低的氧含量,越有利于获得更高的光电转换效率,可以通过基础研究、加快氧挥发速率和降 低单晶制备中硅溶液与坩埚的反应速率来改善。 硅料端:n型料前期以海外进口为主,后期以国内产品为主,差距不大,目前改良西门子法可实现,颗粒硅方法需要提升品 质。硅片端:拉棒:n型硅棒更短、少子寿命更高、氧含量降低,品质要求高;切片:薄片化,金刚线更细,热场及石英坩 埚纯度提升,耗量增加。

TOPCon:22年量产提速,产品实现溢价

(1)TOPCon即隧穿氧化层钝化接触电池,是2013年在第28届欧洲 PVSEC 光伏大会上德国 Fraunhofer太阳能研 究所首次提出的一种新型钝化接触太阳能电池。

(2)大多数TOPCon是基于n型硅,正面采用氧化铝和氮化硅电解质层来钝化p+硼扩散发射极,在背面拥有~1nm 隧穿氧化层——“氧化硅”是其核心特点 ,而后分别镀n+多晶硅层和氮化硅层,最后在电池正反面刷上银电极。

(3)氧化硅提供极好的化学钝化作用,重掺杂的多晶硅截面排斥“少子”,隧穿氧化层可以使“多子”在非常低的 结电阻下隧穿通过,由于载流子选择性,在掺杂层之间,载流子形成快速输运能力,使得电阻损失减少、载流子复 合率降低,而达到提升效率的目的。

(4)TOPCon电池具有全新的表面钝化体系、全新的金属接触体系(金属/半导体之间隔离/半隔离状态、多晶硅高 掺杂浓度表面形成较好的欧姆接触)、完美的光学匹配(多晶硅膜位于背面,最大化光吸收利用能力)、较好的体 材料匹配(n型料)。

技术难点一:隧穿氧化层制备及非晶硅膜沉积

(1)氧化硅制备采用湿化学氧化法与气相氧化法,非晶硅薄膜采用化学沉积法(LPCVD、PECVD、PVD、PEALD、 APCVD等)。

(2)LPCVD优势:技术较为成熟,兼容现有产线;同时集成度较高,氧化硅与非晶硅可以单管集成;无脱膜现象;设备 产能大、成本不高、占地面积小;电池效率高。

(3)LPCVD不足:非晶硅成膜速率低,且厚度均匀度控制难度大;通常需要结合二次磷扩散;非晶硅绕镀严重,部分解 决方案会降低产能,刻蚀绕镀需要增加设备且控制难度大;石英舟目前需要2个月换一次,石英管需要3-6个月更换,备件 成本比PERC高。

技术难点二:硼扩散

(1)磷和硼在硅中固溶度随温度提升,磷比硼的固溶度更高;磷扩散较为成熟,硼扩散则是TOPCon的技术难点之一, 需要温度更高,循环时间更长。

(2)硼扩通常在低压管式炉中进行,BBr3是传统的前驱体,但其副产物黏连石英件,导致减少设备正常运行时间,耗费 程度也较高;Semco、拉普拉斯、捷佳伟创均推荐使用BCl3,可减少损耗,但在腐蚀性及安全性要求更高。

(3)根据TaiyangNews 2021报告及ITRPV数据,BCl3在 2022年底市场份额有望达20%,未来10年增加至30%。离 子注入方式采用的依然比较少。

技术难点三:SE选择发射极

(1)采用SE技术后,转化效率可以提升约0.4%,若设备、工艺成本能够较低,则具有较好性价比。采用一次硼扩+激光 掺杂是未来不错的选择。目前问题主要在于,硼扩推进需要更高能量,会导致绒面损伤。

(2)可进行分步硼扩法进行SE,减少一次硼扩带来的高温过程,减少对绒面损伤,但工艺时间有所增长。

技术难点四:控制钝化层烧穿

钝化层面临两种类型烧穿:掺杂元素烧穿、金属浆料烧穿,背表面就会钝化失效、正表面则会短路,因此对于掺杂工艺以 及金属化工艺精度要求较高。(报告来源:未来智库)

HJT :设备、生产工艺提升、降本进行中

(1)封装材料:随着HJT市场兴起, EPE市场占比将增大。由于HJT采用n型硅片需要较好抗PID胶膜,低温银浆和非晶硅 层耐湿性、耐钠性较差,需要胶膜等材料具有一定的阻水性能,同时ITO层的胶黏型一般。POE 胶膜具有高抗 PID 的性能, 共挤型 EPE 胶膜不仅有 POE 胶膜的高阻水性能,同时具有 EVA 的高粘附特性,可作为 POE 胶膜的替代产品。因此HJT提 升有助于POE和EPE 胶膜用量提升;2021 年 POE 胶膜和共挤型 EPE 胶膜合计市场占比提升至 23.1%,综合胶黏性和阻水 性,EPE市占率将提升。背板可以采用铝箔或者PET阻水层,边缘采用阻水胶带来封装。

(2)电池互连技术持续革新:更高的FF,导致更低的CTM。成熟的热焊接法对HJT并不是最优选择,HJT由于采用低温焊 接工艺,低温型浆料的体电阻率较高和焊接后粘附性也较低,拉力降低,容易出现脱焊,造成可靠性降低;激光划片随半 片出现,给降低损耗带来难度。新的电池互连技术,例如使用导电粘合剂(ECA)粘合带,或者使用嵌入式InSn涂层电线 的箔带实现低温粘黏来进行多线互连(Meyer Burger的SmartWire连接技术)—SWCT。

IBC:组合应用潜力大,HPBC有望成黑马

IBC( Interdigitated back contact,指交叉背接触)。正负金属电极呈叉指状方式排列在电池背光面的一种背结背接 触的太阳电池结构,它的p-n结位于电池背面。IBC电池的特点:

(1)电池正面无栅线遮挡,避免了金属电极遮光损失,最大化吸收入 射光子,实现良好短路电流。

(2)电池背面制备呈叉指状间隔排列的p+区和n+区,以及在其上面分 别形成金属化接触和栅线;由于消除了前表面发射极,前表面复合损失 减少。

(3)p+和n+区接触电极的覆盖面积几乎达到了背表面的1/2,大大降 低了串联电阻

(4)前表面远离背面p-n结,为了抑制前表面复合;采用钝化接触或减 少接触面积,大幅减少背面p+区和n+区与金属电极的接触复合损失。

IBC电池的核心问题是如何在电池背面制备出质量较好、呈叉指状间隔排列的p区和n区,以及在其上面分别形成金 属化接触和栅线。

(1)可在电池背面印刷一层含硼的叉指状扩散氧化硅掩蔽层,掩蔽层可采用PECVD设备实现、图形化采用光刻或 者激光消融实现。掩模、开槽、掺杂和清洗才能完成制备背面PN区;

(2) P型衬底的磷掺杂是形成PN结,硼掺杂是形成高低结;N型衬底的硼掺杂是形成PN结,磷掺杂是形成高低结, 工艺要求是完全不一样的,p型衬底扩散工艺相对容易;

(3)IBC若进一步与TOPCon或HJT结合,则需要在相关环节叠加关键工艺步骤。

由于IBC电极均在背面,封装方式也将发生一定改变:根据《背接触MWT与IBC电池组件封装工艺研究》,目前有 两种方式:(1)导电胶+柔性电路背板封装方式;该方式能充分发挥背接触电池结构特点,取消焊接工艺降低碎片 率,易于生产厚度更小的电池,缺点需要特殊的印刷设备及铺设设备,导电胶和柔性电路背板价格也较贵;(2) 涂锡铜带焊接和普通背板封装方式,使用特殊形状焊带,材料成本低,实现较简单,但无法避免焊接造成的碎片, 难以适应电池厚度降低的发展需要。

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