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光伏行业深度报告:回顾光伏行业变革 展望未来高效之路(2)

光伏电池组件  来源:华金证券    2020/4/7 8:43:39  我要投稿  

钝化可通过化学钝化和场效应钝化两种方式实现。化学钝化主要是使悬空键饱和,可以通过提供一个可使表面硅原子达到饱悬空键状态的表层,或 沉积高氢介质膜,使氢填补悬空键的空穴,从而实现钝化目的。场效应钝化是指在表面附近制造一个电场,以排斥相同极性的少数载流子, 从而降低载流子的复合。

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PERC 电池(Passivated Emitterand Rear Cell,PERC)结构从常规铝背场电池(BSF) 结构演变而来,通过在 BSF 的背面叠加钝化层(AlOx)实现转换效率的大幅提升。最早起源于 上世纪八十年代,由澳洲新南威尔士大学的 Martin Green 研究团队首次正式提出,当时即达到 22.8%的实验室电池效率。

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2006 年 PERC 电池背钝化材料 AlOx 的钝化性能引起学界重视,之后随着 AlOx 产业化技术 和设备的成熟,加上激光技术的引入,PERC 技术开始逐步走向产业化。2012-2013 年开始有厂 家对其产线进行 PERC 升级,2015 年新增电池产能采用的基本都是 PERC 架构,2018 年开始 PERC 电池产能加速扩张,现已成为最主流的高效电池技术。

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回望单晶PERC电池的发展历程,我们认为转换效率的快速提升是其广泛应用的核心动力。

2012 年 PERC 电池刚刚引起产业界关注,最高效率是尚德的 20.3%,当时常规单多晶效率 约为 19%和 17%。

2015 年 ISFH 通过优化电池模型参数,提出 PERC 电池效率可达到 24%以上,并给出相应 的技术路线。同年德国 HELENE 研究团队宣布计划在 2017 年底前将 PERC 单晶硅电池效率提 升至 22.5%,PERC 电池产业化成为研究热点。

2016 年底,天合光能创下 22.61%的最高 PERC 电池效率纪录,提前一年达到 HELENE 目 标。

2017-2018 年隆基和晶科轮番刷新 PERC 效率纪录,到 2018 年底晶科达到 23.95%的最高 效率。与此同时 PERC 电池的扩产达到了前所未有的高峰,到 2018 年底单晶 PERC 产能达到 接近 80GW,较 2016 年底翻了四倍。

2019 年 1 月隆基在 244.59cm2的 P 型硅片上实现了 24.06%的转换效率,高出行业平均量 产效率近 2 个百分点。到 2019 年底单晶 PERC 电池市占率达到 60%左右,反超 BSF 电池成为 市占率第一的电池技术。

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除了具有更高的效率和更大的提效空间以外,PERC 电池能快速扩大市占率,还因其只需在 原有产线上增加两道工序(背钝化和激光开槽),可以在获得 1 个百分点以上效率提升的同时保持有竞争力的生产成本。

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从量产效率看,2010-2019 年单晶电池效率从 17.5%提升到 22.3%,平均每年提升约 0.48 个百分点,而同期多晶电池效率从 16.5%提升到 19.3%,平均每年提升 0.28 个百分点,单多晶 效率差从 1 个百分点拉开到 3 个百分点。在效率提升的同时,单晶电池价格却一路下跌,单多晶电池片价格差从 2012 年的 0.4 美元/片下降到 0.11 美元/片,单晶电池性价比凸显。

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回顾 PERC 产能的投放节奏不难发现,2017-2018 年之所以成为 PERC 产能集中爆发期, 一方面是因为单多晶电池转换效率差不断拉大,PERC 溢价最高可达到近 0.4 元/W;另一方面是 因为关键设备的国产化,使得PERC改造成本和新建成本分别降至1亿元/GW 和4.2亿元/GW, 改造产线在高溢价下一年即可收回资金成本,从而刺激企业加大 PERC 产能布局。

因此,我们 认为相对较高的效率溢价和相对较低的成本是新型电池技术被广泛认可的必要前提。

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(二)大尺寸硅片助力 PERC 电池继续降本

近十年电池片尺寸经历过几轮变革,从 100/125mm 到 156mm,再到 2013 年底隆基、中环 等联合发布的 M2-156.75mm,大尺寸电池片可以有效提高组件发电功率,降低光伏发电系统成 本,成为光伏产业发展的大趋势。

2019 年隆基、中环相继推出 M6-166mm、M12-210mm 大尺寸硅片,面积较目前主流的 M2 分别提升 12.2%、80.5%,组件封装功率可提升到 450W+、600W+,较 M2 72 片组件分别 高出 60W+、200W+。假设电池产线每小时出片量不变,M6、M12 可以使产能相应提升 12.2% 和 80.5%,从而摊薄人工、折旧等除辅材外的非硅成本。根据测算,我们预计可以使电池片每瓦 非硅成本降低 1-5 分钱。

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M6 的优势在于现有产线兼容性好,硅片环节的拉棒和切片设备均可兼容,电池和组件环节 需要对产线升级改造,预计改造成本约 2500 万元/GW。此外电站考虑到冗余设计也可直接兼容 M6 组件。

M12 由于尺寸提升更多,硅片、电池、组件产线均需新建,但 M12 带来的降本空间可使全 平台受益。除电池端降本 5 分钱外,组件端和电站端还可摊薄支架、接线盒、汇流箱等成本。

1) 东方日升数据显示,M12 单晶 50 半片的 500W 高效组件可使组件单线产能提升 30%, BOS 成本降低 9.6%,度电成本(LCOE)下降 6%。

2) 天合光能数据显示,M12 单晶 50 三分片组件在黑龙江某大型地面电站测算结果显示, 500W 的 210 双玻双面组件相比常规 410W(应为 M2)双玻双面组件,BOS 成本下降 6%~8%,LCOE 成本下降 3%~4%。

得益于强大的降本能力,大尺寸硅片得到了下游的积极响应,通威、爱旭、东方日升、天合 光能等电池组件厂商积极推进相关产能投建,目前已公告的大尺寸电池规划产能约 80GW。根据 中国光伏行业协会 2020 年 2 月发布的《中国光伏产业发展路线图(2019)》,预计 2020 年底大尺寸硅片占比有望达到 40%左右,2021 年有望取代 M2 成为主流尺寸。

三、后 PERC 时代,TOPCon 还是 HJT?

根据晶硅太阳能电池的工作原理,要实现高转换效率(η=FF*Voc*Jsc/Pin)需要高的填充 因子(FF)、开路电压(Voc)和短路电流密度(Jsc)。目前产业化主要是通过增大光生电流如 IBC、HBC 电池(增加光照面积,提高 Jsc) ,以及提高少子寿命如异质结、TOPCon(优化钝 化性能,提高 Voc)实现。

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(一)主要新型高效电池介绍

异质结电池(Heterojunction,HJT):由两种不同的材料组成,即在晶硅和非晶硅薄膜之 间形成 PN 结,因此它兼具晶硅电池优异的光吸收性能和薄膜电池的钝化性能。具体是在 N 型晶 体硅片正反两面依次沉积厚度为 5-10nm 的本征和掺杂的非晶硅薄膜,以及透明导电氧化物 (Transparent Conductive Oxide,TCO) 薄膜,从上到下依次形成了 TCO-N-i-N-i-P-TCO 的对称结构。

隧穿氧化钝化接触电池(Tunnel Oxide Passivated Contact,TOPCon):

前表面与 N-PERT 电池没有本质区别,主要区别在于采用超薄二氧化硅(SiO2)隧道层和掺杂非晶硅钝化背面。其 中 SiO2 厚度 1-2nm,可使多子隧穿通过同时阻挡少子复合;掺杂的非晶硅厚度 20-200nm,经 过退火工艺使非晶硅重新结晶为多晶硅,可同时加强钝化效果,避免了在钝化膜上激光开槽,能有效减少少子复合,提高电池的开路电压和填充因子,进而提高电池效率。

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交叉背接触或全背电极接触电池(Interdigitated Back Contact,IBC):前表面是 N+的前场 区 FSF 和 SiNx 减反层,背表面为交叉排列的 P 区和 N 区,正面无金属栅线电极遮挡,因此可 以更高的短路电流。IBC 电池工艺的难点是背面交叉分布的 P 区和 N 区,以及背部金属电极的 制作。

异质结背接触电池(Heterojunction Back Contact,HBC):将 HJT 非晶硅薄膜技术应用 于 IBC 电池结构,可同时获得高的短路电流和开路电压。2016 年、2017 年日本 Kaneka 公司研 发的 HBC 电池分别创下 26.33%和 26.63%的转化效率世界纪录。该电池正面无金属电极遮挡, 背部 P、N 区呈现交叉排列,本征非晶硅薄膜(i:a-Si)作为双面钝化层,具有优异的钝化效果。

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双/多结叠层电池(Tandem / Multi-junction):将带隙不同的两个或多个子电池按带隙大小 依次串联在一起. 当太阳光入射时, 高能量光子先被带隙大的子电池吸收, 随后低能量光子再被 带隙较窄的子电池吸收,既增加了对低能量端光谱的吸收率,又降低了高能量光子的能量损失, 可以显著提高电池效率。PERC、HJT 等均为单结电池,理论极限效率仅为 29.43%,而由钙钛 矿(Perovskite)和晶体硅构成的双结叠层电池理论效率最高可提高到 43%,是未来太阳能电池 效率大幅提升的重要技术路线。

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根据 ISFH 的测算,PERC、HJT、TOPCon 电池的理论极限效率分别为 24.5%、27.5%、 28.7%,其中 TOPCon 十分接近单结电池的极限效率 29.43%。目前 PERC、HJT、TOPCon 电 池的最高效率纪录依次为 24.06%(隆基)、25.11%(汉能)、25.70%(Fraunhofor), 平均量产 效率依次为 22.5%、23.7%、23.5%左右,其中 HJT 和 TOPCon 效率均处于起步阶段,未来具 有非常大的提升空间。

(二)新型高效电池量产工艺比较

目前实现小规模量产(>1GW)的新型高效电池主要包括 TOPCon、 HJT 和 IBC 三种, HBC、 叠层电池暂时还处于实验室研发阶段。从生产工艺来看,IBC 电池工艺最难最复杂,TOPCon 次 之,HJT 电池工艺最简单、步骤最少(核心工艺仅 4 步)。从生产设备来看,TOPCon 电池兼容 性最高,可从 PERC/PERT 产线升级,IBC 次之,HJT 电池完全不兼容现有设备,需要新建产 线。

1) TOPCon 电池采用 N 型硅片,需要在 PERC 产线上增加硼扩设备,背面的 SiO2隧穿层 和掺杂多晶硅层,分别采用原位热氧和原位掺杂的方式在 LPCVD(低压化学气相沉积) 中沉积,因此还需要在 PERC 产线上增加 LPCVD 和湿法刻蚀设备。

2) HJT 电池由于采用晶硅/非晶硅异质结结构(PN 结由不同材料构成),最高工艺温度不 能超过非晶硅薄膜形成温度(<200℃),因此在后续采用低温固化工艺替代高温烧结。低温工艺对设备、工艺、材料和洁净度提出更高的要求(高温工艺可吸除杂质),因此 需要重新新建产线,且相关设备投资成本较高,是 PERC 的 2~4 倍。但是 HJT 电池天 然的对称结构有利于自动化生产,减少生产步骤,更适合大规模生产。

3) IBC电池需要在背面制成交叉分布的P区和N区,增加了制作掩膜和激光开槽两道工序, 同时由于掺杂区面积较小,采用 PERC 工艺中的热扩散炉不易控制精度,需要使用半导 体生产中的离子注入工艺,提高了生产的技术门槛和成本。

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(三)新型高效电池经济性分析

在目前可量产的新型高效电池中,HJT 电池的设备投资成本最高,约为 5~10 亿元/GW,而 PERC 仅需 2.5~3 亿元/GW,HJT 电池设备成本为 PERC 投资成本的 2~4 倍。

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TOPCon 电池与 PERC 产线兼容度高,可从 PERC 产线改造升级,改造成本为 0.5~1 亿元 /GW 左右,新建产线设备投资成本约 3~3.2 亿元/GW,较 PERC 高 20%~30%左右,是目前初 始投资成本最低的 N 型高效电池之一。

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根据 PVInfoLink 估计,目前异质结和 TOPCon 成本接近 PERC 的两倍,毛利率显著低于 PERC 电池。一方面是因为前期设备主要依赖进口,国产设备导入后,初始投资成本有望下降 30%~50%左右;另一方面是因为现在新技术产线大多为中试线,无论设备还是耗材均未形成规 模优势。随着更多资本进入,有望加快浆料、靶材等耗材的国产化进程,同时提高单线产能,进 一步降低生产成本。

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(四)新型高效电池量产情况

目前各大电池厂商均有布局 TOPCon、HJT、IBC 电池,不过产线规模大部分都为 MW 级 别,以中试线居多,形成量产稳定供货的企业比较少。

1) TOPCon 电池产能主要以原有 PERC/PERT 电池厂商布局为主,2019 年新扩产 PERC 产线大都预留了升级空间。国内目前中来股份已具有 2.4GW 的量产产能,2019 年天合 光能发布 TOPCon 组件新产品,未来产能有望进一步提升;海外方面,LG 和 REC 在 TOPCon 技术均有量产产能(>1GW) 。

2) HJT 电池早期产能主要以松下、汉能、晋能、钧石、中智为主,但产能规模都在 100MW 左右,近两年随着异质结投资受到关注,通威、爱康、彩虹、山煤国际等新入企业纷纷 宣布了 GW 级别的产能规划。截止到 2019 年底,HJT 已规划产能已超过 30GW,但实 际落地产能仅合计 2GW 左右。

3) IBC 电池目前仅有 Sunpower(>1GW)和黄河水电(>200MW)实现量产供货,其他 厂商目前仍处于研发阶段。

四、投资建议

通过分析 PERC 电池的降本提效路线,我们认为相对较高的效率溢价和相对较低的成本是 新型电池技术被广泛认可的必要前提。目前 PERC 电池已达到 24%的研发效率,量产效率今年 底即将突破23%,我们预计PERC很快将进入提效的瓶颈期。不过由于大尺寸硅片的应用, PERC 电池成本优势进一步巩固,推迟了 TOPCon、HJT 等新型高效电池的到来。同时 TOPCon、HJT 电池 23%~24%的量产效率仍有较大提升空间,因此我们认为未来 2~3 年内市场将仍以 PERC 电池为主,主要技术路线是大尺寸、薄片化的技术难题攻关。

TOPCon 电池主要优势在于与现有产线的兼容,但由于工艺较复杂,更适合现有 PERC 产 线转型过渡,考虑到目前 150GW+的 PERC 产能,我们认为 TOPCon 在未来 3~5 年更具备竞争 优势。HJT 电池由于工艺简单适合规模化生产,受到了更多新进入资本的青睐,目前投资成本 5~10 亿元/GW,即便设备实现国产化,仍较 PERC 投资高出一倍多,加上耗材国产化技术未完 全成熟,短期内很难替代 PERC,但长期看 HJT 可以与 IBC、钙钛矿等其他技术叠加,具备非 常大的效率潜力,有望成为下一代技术的开拓者。


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