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1.1异质结电池简介
将P型半导体和N型半导体结合在一起时,在其交界面形成的空间电荷区称为PN结,PN结具有单向导电性和反向击穿效应,是半导体器件和光伏电池的主要结构单元。根据PN结内部结构的不同,分为同质结和异质结。HIT电池是由晶硅衬底和非晶硅薄膜构成,因此称为异质结电池。
异质结电池最早由日本三洋于1990年研发成功,HIT这个称谓由三洋提出,并被注册为商标,后来进入异质结领域的企业为了避免专利纠纷而采用了不同称谓,比如HJT、SHJ、HDT等,其含义是一样的,并不意味着技术分支。
🔹HIT::Heterojunction with Intrinsic Thin-layer
🔹HJT:Heterojunction solar cell
🔹SHJ:Silicon Heterojunction solar cell
🔹HDT:High efficiency Hetero-junction Double-side Technology Solar Cells
1.2异质结电池结构
异质结电池一般是以 N型硅片为衬底,在正面依次本征富氢非晶硅薄膜和N型非晶硅薄膜,然后在背面依次沉积本征非晶硅薄膜和P型非晶硅薄膜。在非晶硅薄膜两侧再沉积80-100nm的透明导电氧化物薄膜 TCO,最后通过丝网印刷在两侧制备金属电极,再烧结退火,这样就制成了异质结电池。
传统异质结电池以P层为入光面,近年来业内普遍改为N型作入光面,在电池结构上形成TCO-N-i-N-i-P-TCO对称结构。
异质结电池能否以P型硅片作衬底?理论上可以,但实际生产中普遍使用N型硅片:
🔹P型硅片少子寿命低,输出性能弱于N型。
🔹P型硅片能带匹配度不如N型。
🔹N型硅片更容易钝化,钝化以提高开路电压是HIT电池的精髓。
根据隆基官网的N型和P型产品说明书,P型硅片少子寿命大于50微秒,而N型硅片少子寿命大于1000微秒,相差20倍。
在P型半导体中,空穴是主要载流子,简称多子,电子是少数载流子,简称少子。在N型半导体中,电子是主要载流子,简称多子,空穴是少数载流子,简称少子。硅片中Cu、Au以及硼氧对等杂质对电子的俘获能力远远大于对空穴的俘获能力。N型硅片中,少子是空穴,更难被俘获,因此少子寿命更高。
1.3异质结电池生产工艺
异质结电池生产只有四大环节,依次是清洗制绒、非晶硅沉积、TCO沉积、丝印烧结,相较于PERC和TOPCON工序大幅缩短。
2)制备非晶硅薄膜:硅片在PECVD设备中制做钝化膜和PN结。HIT的高效率根源于本征非晶硅薄膜优良的钝化效果。晶硅表面存在大量的悬挂键,光照激发的少数载流子到达表面后容易被悬挂键俘获而复合,降低电池效率。通过在硅片两侧沉积富氢的本征非晶硅薄膜,可以将悬挂键氢化,有效降低界面态缺陷,显著提高少子寿命,增加开路电压,进而提高电池效率。
每一层膜的厚度只有4-10nm,但每1-2nm实现的功能不一样,制备工艺也不一样,因此本征和掺杂非晶硅薄膜需要在多个腔体中完成,PECVD中要导入多腔室沉积系统。
3)沉积金属氧化物导电层:硅片沉积完非晶硅薄膜之后就进入PVD或RPD设备,沉积透明金属氧化物导电膜TCO。TCO纵向收集载流子并向电极传输。非晶硅层晶体呈长程无序结构,电子与空穴迁移率较低,横向导电性较差,不利于光生载流子的收集,因此需要在正面掺杂层上方沉积一层75-80nm厚的TCO,用于纵向收集载流子并向电极传输。TCO可以减少阳光反射。
TCO膜在可见光范围内(波长380-760nm)具有80%以上的穿透率,且电阻很低,其成分主要为In、Sb、Zn、Sn、Cd及其氧化物的复合体。目前应用最广泛的是ITO、SCOT、IWO、AZO。
TCO制备存在PVD和RPD两种路线,目前业内企业出于成本考虑大多选择PVD路线。
4)丝印烧结:异质结电池生产最后一步是丝印烧结,制备金属电极并烧结固化。HIT是低温工艺,因此需要使用低温银浆和低温退火工艺。HIT电池双面都使用低温银浆,不区分正银和背银,价格较高,且消耗量较高,因此业内有部分企业尝试使用镀铜工艺来制作电极。镀铜工艺不使用银浆,因此成本低廉,但其工艺复杂,且废液排放存在严重的环保制约,因此并未成为主流。
2.异质结电池优势显著
.1 转换效率高
电池效率=开路电压*短路电流*填充因子。HIT高转化效率源于高开路电压,HIT开路电压可以接近750mv,而PERC电池普遍低于700mv。HIT的高开路电压源于两点:
🔹氢化本征非晶硅薄膜优良的钝化效果
🔹光生载流子可以贯穿氢化非晶硅薄膜,因此不需要激光开膜制作金属电极和硅片之间的欧姆接触(接触面有大量悬挂键,容易产生复合)。
根据美国国家可再生能源中心公布的技术进展图,目前HIT研发效率世界纪录是26.7%,由日本钟渊化学创造。国内异质结电池最高纪录是汉能在今年11月公布的25.11%,使用M2硅片和常规设备,这也是全球8寸片HIT电池最高效率。由于MBB技术和光致再生技术的导入,目前HIT的研发效率普遍已经超过24%。
REC新加坡600MW项目效率已经达到24.3%,其他企业普遍在23.5%-24%。随着HIT产业不断壮大,研发投入增多,电池效率有望继续提升:
🔹微晶硅/纳米晶硅导入,非晶硅薄膜钝化效果提升,进一步提高开路电压
🔹MBB多主栅技术导入并优化,降低电池内阻,并减少遮光面积
🔹 靶材品质提升,效率可以提高0.x%;
🔹 银浆品质提升,效率可以提升0.x%;
🔹 光致再生技术的完善,效率可以提升0.3%+;
明年国内投产的HIT产线预计效率都可以突破24%,潜力可以看到26%,未来还可以跟IBC结合做HBC电池或者跟钙钛矿结合做叠层电池,叠层效率预计28%起步。
2.2 低衰减
HIT特殊的电池结构使得衰减显著低于PERC电池。
🔹表面TCO具有导电性,电荷不会在表面产生极化现象,无电位诱导衰减PID。
🔹N型硅片掺磷,不会产生硼氧复合体和铁硼复合体,光致衰减LID很小。
HIT电池的首年衰减和年均衰减均低于PERC电池,并得到电站发电实证。
2.3 低温度系数
组件的温度系数衡量输出功率随组件温度升高而下降的程度。阳光照射下组件表面不断升温,电池的开路电压不断下降,进而导致输出功率下降。HIT相较于其他类型电池,具备非常显著的低温度系数。
2.4 高双面率
HIT电池双面率较高。HIT电池正反面三层膜和TCO都是透光的,且结构对称,天然就是双面电池,其双面率可以轻松做到90%以上,甚至达到98%的水平。PERC电池双面率可以做到80-85%。HIT电池对等效功率的增益比PERC电池高10W左右,正好两个档位,可以溢价1.5分/瓦。
2.5 HIT应该会有一定溢价
HIT电池的高效率、低衰减、低温度系数、高双面率最终都会体现到电池价格上。根据我们的大致测算,HIT可能具有的溢价包括:
高效率溢价:1.5%的转化效率优势可溢价0.12元/瓦。
低衰减溢价:3-4%发电增益可以溢价0.12-0.14/瓦。
低温度系数溢价:2-3%+发电增益可以溢价0.11-0.12元/瓦。
高双面率溢价:可能可溢价0.015元/瓦。
以上测算是基于比较中性的发电条件,粗算在目前的技术格局下其溢价有可能保持在0.39元/瓦(24%HIT VS 22.5%PERC),在BOS成本越高,温度越高,电价越高,利用小时越高的地区,HIT的溢价会更高。
根据PVInfoLink最新调研数据,23%效率的HIT电池售价1.7元/瓦,21.9%效率的PERC电池售价0.94元/瓦,溢价0.64元/瓦。当前HIT产销量还比较小,不足2GW,主要应用于欧美日等户用等高端市场,其BOS成本和电价都较高,因此在有限安装面积下追求发电量的最大化,对HIT的溢价承受能力更强。
3.异质结电池降本路径逐渐清晰
3.1设备国产化推动单位产能投资下降
HIT设备价格已经下降到7-8亿/GW。HIT电池每个生产步骤对应一种专用设备,依次是清洗制绒机、PECVD、PVD或RPD、丝印烧结,其中壁垒最高的是PECVD,其价值量占到全部设备的60%。当前投产的HIT产线PECVD以进口为主,GW设备投资在7-8亿元,国产化突破之后将大幅下降。
设备国产化不断取得突破,PECVD仍是难点。清洗制绒、PVD、丝网印刷国内都已经突破,当前难点主要在PECVD。国内钧石、理想已经有PECVD供货能力,但节拍还需提升。迈为研发进展较快,和通威建有中试线,设备在不断调试和改进,明年可能会有比较大的突破。捷佳伟创正在积极研发,预计明年Q1会完成样机交付,金辰股份也在积极布局,预计明年下半年会有样机交付。
大通量PECVD海外已经研制成功。目前梅耶博格MB和美国应材AM对外出售的PECVD节拍都只有2400片/小时,对应100MW产能,1GW产线需要配置10台PECVD,仅PECVD投资就达到4.5亿元。值得注意的是,梅耶博格和应材均已研制成功6000片大通量设备,至少证明大通量设备在工艺上是可行的。当前MB和AM均在和国内部分电池厂洽谈出售大通量PECVD,但预计价格依旧较贵。
降低PECVD成本仍需国产取得突破。国内迈为、捷佳、金辰等PECVD研制厂商均以6000片为基础目标,若能突破,每GW产线的PECVD价格将下降到2.5亿元以下,放量之后有望下降到1.5亿元以下。PECVD的制造成本中90%是原材料,主要是不锈钢和铝型材制品以及各种仪表,制造费用本身并不高,当前1GW设备投资约7亿元,明年国产设备若能突破,预计单GW投资将下降到5亿元,放量之后预计将下降到3.5亿元以下,带动设备相关成本可以从0.09元/瓦下降到0.04元/瓦。
3.2低温工艺允许硅片更薄
硅片的厚度取决于硅片生产工艺和电池加工温度。当前使用金刚线切割工艺的硅片最薄可以做到120微米,再薄成本不降反升。异质结技术产业化后,国内硅片厂完全有能力供应120+微米厚度的N型硅片。但当前组件工艺还比较粗糙,将来硅片变薄需要组件端的制造工艺更加精细化。
当前PERC电池的生产工艺中最高温度可达900℃,硅片厚度普遍在180-190微米,使用更薄的硅片在高温下容易出现翘曲。异质结电池整个生产过程中温度控制在250℃以内,可以使用更薄的硅片。
当前180微米的M2型硅片单片耗硅量在15克左右,如果厚度能够降到120微米,耗硅量可以降到11.5克,按照75元/千克的硅料价格计算,M2硅片硅料成本可以从当前1元/片降低到0.76元/片,按照24%的电池转换效率计算,降低电池环节成本4分/瓦。
N型硅片在同等厚度下比P型硅片成本高大约5%,主要是N型硅片对硅料品质要求高一些,每千克N型硅料比P型贵3-5元。但N型硅片变薄后,出片率可以显著提升,单片成本可以做到比P型更低。
.3低温银浆和靶材国产化
低温银浆国产化基本成功。HIT电池是低温工艺,低温银浆的固化温度要求不超过200℃,技术难度高于高温银浆。海外供应商主要是杜邦、贺利氏、京都电子,国内常州聚和、苏州晶银已经突破。
🔹银浆价格:6000-7000元/千克,PERC正银4500元/千克,随白银价格波动。
🔹银浆成本:约4000元/千克,高温银浆和低温银浆成本差别很小,90%成本是银粉。
🔹银浆单耗:HIT多主栅150毫克/片,无主栅90毫克/片,PERC约70毫克/片。
未来HIT电池银浆降本主要通过两个途径实现:
🔹降低银浆消耗量。如导入梅耶博格的智能串焊技术,银浆耗量可以做到100mg以下。此外,当前低温银浆为了保导电性,栅线比PERC电池宽30%-50%,未来可以通过添加剂的改进,进一步做细栅线,将银浆消耗量降低30%以上。
🔹降低银浆价格。银浆的主要成本是银粉,加工费用仅数百元/千克,当前需求量较小,因此报价显著高于高温银浆,如求放量,低温银浆价格继续降低。
靶材国产化也已完成,静待需求放量。HIT第二大耗材是靶材,国内先导、映日等企业ITO产品已经非常成熟,SCOT正在积极研发,IWO壹纳已经实现国产。三种靶材的核心成分都是氧化铟,质量占比在90%以上。金属铟价格在1100元/千克左右波动,金属铟经过煅烧制成粉末,再和氧化锡或者氧化钨粉末按照一定比例混合,压块高温烧结制成靶材,生产工艺的难点在于高温烧结,加工成本仅400-1000元/千克。
需求放量将带动靶材价格下行,靶材成本预计将下降到3-4分/瓦。目前靶材成本约0.32元/片,对应5分/瓦,未来靶材价格下降和靶材利用率提高,成本有1-2分/瓦的下降空间。此外靶材品质提升对电池效率的增益也在不断进步。
3.4降本路径逐渐清晰
设备端:海外大通量PECVD已经研制成功,国产大通量PECVD有望突破。
硅片端:切片工艺成熟,N型硅片可以做到120微米,P型170微米很难再薄。
靶材端:ITO和IWO国产化已经完成。
银浆端:国产化已经完成。
效率端:单瓦成本=成本总额/功率,前面4项是做低分子,效率提升做高分母。明年量产HIT效率大概率突破24%,往后每年预计提升0.5%。
PERC电池降本也在推进。硅片让利、大硅片导入、效率提升继续推动电池成本下降。
HIT降本路径如果能实现,综合成本有望大幅下降。2019年HIT电池不含税完全成本为1元/瓦,这是理论测算值,由于工艺不稳定,现有中试线产能负荷较低,实际成本更高。
同时,2019年PERC龙头厂商通威、爱旭完全成本已经下降到0.83元/瓦。我们估算,如果HIT的核心装备如PECVD国产化成功,后续降本空间会逐步打开,等装备、辅材产业也成熟后,其绝对成本有潜力也是比较低的。
5.投资建议
继续推荐:隆基股份、通威股份;
推荐:东方日升、山煤国际(煤炭);
设备环节推荐或关注:金辰股份、捷佳伟创(机械联合)、迈为股份(机械联合);
辅材关注:苏州固锝(子公司苏州晶银生产低温银浆)。
风险提示
1)成本降低不及预期:目前异质结电池的生产成本仍相对较高,未来有望通过硅片薄片化、浆料用量减少、设备国产化等降低成本,如果成本降低不及预期,将对异质结电池产业化带来一定影响。
2)量产效率提升不及预期:目前异质结电池的量产效率在23.5%以上,效率优势是异质结电池的最大优势。未来如果异质结效率提升不及预期,将会减弱其与其他技术路线的竞争优势。
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