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5、钧石能源:独特 RF 设计优化薄膜质量,大尺寸载板提升产能
钧石(中国)能源有限公司主要针对新一代高效太阳能电池产品进行研发、制造以及销售,其研发的 PECVD 已在 多条自建 HJT 中试线上投产。钧石能源模块化链式 PECVD 系统采用独特的 RF 电极设计,电极间距可调节,设备 起辉功率低,稳定性好,多点射频输入和最低射频功率点火的设计可有效降低等离子体对基片的损伤,低功率薄膜 钝化后的晶体硅少子寿命接近其本征寿命。载板温度均匀,沉积薄膜厚度均一性好。此外,硅片上下料已全部实现 自动化,生产效率高,载板单次可装载 144 片基片(12*12 载板尺寸),并可兼容 M6、M10、G12 硅片,设备 uptime 超过 90%,每小时产量超过 3500 片。
6、迈为股份:采用准动态镀膜工艺,高产能优势突出
迈为股份自研 PECVD 采用准动态镀膜工艺,已在通威合肥异质结中试线运行半年以上。8 月,迈为股份中标安徽宣 城高效硅异质结项目的一条整线,中标信息显示迈为股份 PECVD 各项指标优势突出,产能最高可达 8000 片/小时, 转换效率 24%以上,uptime≥90%。
7、捷造光电:inline 线列式系统,兼顾沉积效率及稳定性
捷造光电 PECVD 采用 inline 线列式结构,反应腔采用隔离的全铝热壁反应区结构,拥有 4 个独立的 PECVD 模块处 理双面异质结工艺,保证非晶硅工艺稳定;电极间距可调,并搭载 RF 快速匹配技术,缩短功率稳定所需时间;采 用滚轮式传输结构,保证了较高的可靠性且易于维护。捷造光电 PECVD 采用模块化设计,可适应不同结构工厂布 局和自动化配套,设备整体结构紧凑,便于维护和检查。
8、捷佳伟创、金辰股份亦积极布局 PECVD
捷佳伟创与爱康科技签署 2GW 异质结电池项目合作协议,聚焦 PECVD 和新式 TCO 镀膜设备的共同研发。金辰股 份发布非公开发行预案,拟募集不超过 38000 万元用于“年产 40 台(套)光伏异质结(HJT)高效电池片用 PECVD 设备”项目和补充流动资金。
三、PVD:国产化降本空间相对有限,靶材优化将助力提效
(一)产能提升并非瓶颈,降本空间相对有限
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 工艺稳定、成本更低,RPD 镀膜质量优,但存在专利问题: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,且沉积速率较慢。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1。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,但 RPD 核心专利技术被日本住友垄断,故现有产线基本采用 PVD 路线,捷佳伟创获得日本住友授权,可制造 RPD备。
PVD 整体工艺较为成熟,难度低于 PECVD,各家设备厂商在技术端差异不大,基本均可在真空、无翻转的情况下 实现双面薄膜沉积,多数厂商还具备完善的自动化配套设施以及模块化结构,并搭载旋转靶提高靶材利用率,单台 产能已实现较高水平,冯阿登纳最新一代 PVD 设备产能可达 8000 片/小时,未来计划进一步提至 10000 片/小时, Singulus 量产设备最高产能也实现了 6000 片/小时,迈为近期在安徽宣城中标的 PVD 设备产能指标也达到了 8000/小时的水平。可见,产能提升并非 PVD 设备向上优化的瓶颈,努力方向在于改善 TCO 薄膜透光性、均匀性、传导 性等指标进而提升电池转换效率。
成本方面,一方面,PVD 单台设备产能已实现较高水平,另一方面,冯阿登纳等外资厂商通过在国内设厂,基本实 现了 PVD 设备的半国产化状态,料未来 PVD 设备国产化的成本下降空间较为有限。
1、冯阿登纳:技术积淀深厚,设备性能出众
冯阿登纳成立于 1991 年,前身是德国曼弗雷德·冯·阿登纳研究所,拥有 50 多年的电子束工艺经验以及 40 余年的 磁控技术积累,已经开发出多款适用于 HJT 的 PVD 设备,包括用于实验室或试生产线的 SCALA 系列和用于量产的 XEA|nova 系列。
其 PVD 设备可以实现在不翻转基片、不破坏真空的条件下双面沉积 TCO 薄膜,整个沉积过程中精准控制衬底温度, 保证良好的沉积效果,同时做到边缘隔离。公司将自主研发的可旋转磁控溅射技术应用于磁力极强的磁棒上,使得 腔内磁场比竞争对手高出 15%,降低了沉积过程中的工艺电压,进而降低了非晶硅底层的受损程度,同时也改善了 TCO 的透明度、传导性等,提升成膜质量。
设备沉积腔室设计较为灵活,既可配置平板式或旋转式、单个或双磁控管,又可以配置电子束枪或各种蒸发源,同 时可在真空状态下或在进入真空状态前进行清洗或刻蚀等特殊预处理。此外,设备自动化配套设施完善,硅片自动 上下料及传输系统自动化程度高,使用标准化模块,整个系统的工艺流程灵活可变,可针对客户需求定制化布局方 式。
2、Singulus:模块化结构设计灵活,量产设备产能最高可达 6000 片/小时
公司设计的 PVD 同样可以在全真空、无翻转的情况下进行双面沉积,同时做到边缘隔离,可用于溅射沉积 Ag、Cu、 Al 等金属膜层和 ITO、AZO 等 TCO 薄膜。该设备采用模块化结构,各腔室独立工作,正背表面溅射方向(top down /bottom up)可灵活选择,旋转式圆柱形磁控管的引入将靶材利用率从 30%提升至 80%。沉积流程中的温度控制是 Singulus PVD 设备的核心技术,可将沉积温度稳定控制在 200℃以内,进而提高薄膜沉积质量。
自动化方面,自动化系统结构设计灵活,不同的上下料方式可供选择。
Singulus 目前在售 PVD 共三种机型,包括 GENERIS LAB、GENERIS PVD 3000 和 GENERIS PVD 6000,工艺周期 在 45~75s 之间,托盘单次可装载 64 片硅片。其中 GENERIS LAB 是实验室研究的专用设备;GENERIS PVD 3000 和 GENERIS PVD 6000 是工业量产设备,每小时产量分别可达 3000 和 6000 片。
3、Meyer Burger:溅射工艺完美平衡效率提升与成本下降
梅耶伯格 HELiAPVD 同样采用模块化结构,可在真空环境内无翻转实现双面薄膜沉积,且包含边缘隔离工艺。设备有完善的自动化设施,可更高效且保证质量地处理硅片;选用圆柱形溅射磁控管,提高靶材利用率及镀膜效率。公 司的 PVD 与 PECVD 在薄膜质量和产量方面匹配度高,每小时产量约 3000 片,年产能超过 140MWp,uptime 大于 94%,单个托盘 cycle time 约 36s,托盘单次可装载 30 个 M2~M4 硅片。梅耶伯格的 PVD 溅射工艺使得 TCO 薄膜具有很低的光吸收率,可以实现和 RPD 媲美的电池效率,同时资本开支和运营成本减少 30%。
4、钧石能源:专用大产能 PVD 系统助力 HJT 量产
钧石能源自研的 PVD 可进行双面 ITO 薄膜沉积,已在福建金石 100MW 和钜能 500MW 两条中试线运行。设备采用 双旋转靶设计,靶材利用率超过 80%,独特的阴极靶座设计,提高了溅射工艺的稳定性和可重复性。设备预热腔室 和沉积腔室配有原位加热元件,沉积温度可控制在 200℃左右,薄膜厚度均匀性可控制在 5%以内。设备产能超过每 小时 5000 片,uptime>90%,可兼容 M6、M10 和 M12 尺寸的大硅片。
5、捷佳伟创:新型 RPD5500A 有望助力效率提升,二合一设备值得期待
捷佳伟创获得日本住友对 RPD 在中国大陆地区的独家授权,开发了应用于 HJT 的 RPD 设备,2019 年 6 月捷佳伟创 为通威成都超高效 HJT 电池项目提供了 RPD 设备。今年 9 月,捷佳伟创在官方微信上披露,推出自主研发的新型 RPD5500A 设备,在原有技术基础上采用半导体平板显示行业最前沿加热、冷井等多种核心技术,开发了多种复合 工艺组合设计,扩大入光面的受光面积而获得高效增益,结合新一代的靶材技术和工艺,载子迁移率可超 140,带 来更高的效率增益、更低的电子共振吸收、更好的长波透光率、更优的导电性。RPD5500A 设备 uptime>90%,膜厚 均匀度可控制在 5%以内,碎片率≤0.05%,产能可达到 5500 片/小时,已完成厂内装配调试。
捷佳伟创还规划推出二合一设备 PAR5500,正面采用新型 RPD,背面采用 PVD,该设计可使占地面积减少一半,并 大幅降低设备成本。
6、捷造光电:定制磁场设计提升镀膜质量
捷造光电用于 HJT 的 PVD 设备采用 inline 溅射系统,配备大功率长寿命旋转阴极,定制磁场设计,降低电压,减少 高能粒子对基片的轰击,进而提升了成膜质量,靶材利用率大于 75%。节拍时间 72s,膜厚均匀性和方阻均匀性分 别控制在 4%和 5%以内。
(二)靶材优化有望带动转换效率提升
与 PECVD 相比,PVD 没有明显的核心壁垒,单台设备产能已提升至较高水平,未来靶材的优化有望带动转换效率 进一步提升。目前 PVD 主要采用 ITO 和 SCOT 靶材,RPD 主要采用 IWO 和 ICO 靶材,靶材的选择决定了薄膜的光 电特性,进而影响电池转换效率,IWO 相比于 ITO 更容易获得较高的转换效率,但随着靶材配方的探索改进,ITO 薄膜的光电性能亦有所提升,进一步改善了电池转换效率。
壹纳光电的经验数据表明,ITO 的锡含量越低,电池转换效率越高,97/3 和 99/1 低锡含量溅射靶材所制备的异质结 电池的转换效率要优于普通成分比为 90/10 的 ITO 靶材。冯阿登纳的 99/1 ITO 靶材方案得到的转换效率也要优于 90/10 ITO 靶,先99/1 ITO 靶,再98/2 ITO 靶则会具有更好的效果。近年来,靶材环节取得了较为明显的进步, 未来新材料的创新和开发有望进一步带动电池转换效率的提升。
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