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2015年之前,硅基太阳能电池由BSF(铝背场)电池主导,2015年之后P-PERC(钝化发射极和背面技术)电池开始起量,目前PERC电池已经成为市场主流电池,但其光电转换效率提升之后,开始逐渐放缓。
那么,谁是下一代太阳能电池?基于N型硅片的异质结电池最近两年尤为引人关注,资本正在密集布局。
异质结电池(Heterojunction with Intrinsic Thin film,简称HIT,也有人简称HJT或HDT或SHJ),全称晶体硅异质结太阳能电池。该技术是在晶体硅上沉积非晶硅薄膜,它综合了晶体硅电池与薄膜电池的优势,具备光电转化效率提升潜力高、更大的降成本空间、更高的双面率、可有效降低热损失、更低的光致衰减、制备工艺简单等特点,是下一代太阳能电池投资的热点之一。
去年以来,多家上市公司在公告中均表示,正在关注或者已经布局HIT领域,其中包括通威股份、爱康科技、协鑫集成、新特能源、晶科能源、山煤国际、东方日升等多家能源企业。
HIT俨然已成为太阳能电池产业的一个新风口,那么太阳能电池会从P型PERC电池转向N型HIT电池吗?何时可以实现这一转向?HIT量产面临哪些挑战?
HIT凭啥成风口
根据基体材料可以将太阳能电池分为有机太阳电池和无机太阳电池。
其中,无机太阳电池可分为晶体硅太阳电池和薄膜太阳电池,晶体硅太阳电池可分为单晶硅太阳能电池和多晶硅太阳能电池。目前晶硅太阳能电池,特别是单晶硅太阳能电池因其效率高、可靠性强、成本下降潜力大而成为市场主流。
根据基体硅片的掺杂种类,单晶硅太阳能电池可细分为P型电池和N型电池。P型电池中PERC技术逐渐成为主流,叠加SE(选择性发射极)技术,电池效率逐渐提升。但是P型电池有其转换效率的极限,N型电池成为未来高转换效率的方向,主要包括PERT(发射结钝化及背场全扩散)、TOPCon(隧穿氧化钝化接触)、IBC(全背电极接触)、HIT(异质结)四种技术路径。
在这四种技术路径中,PERT可实现量产,技术难度不大,设备投资较少,但是与双面P-PERC相比没有性价比优势,已经证明为不经济的技术路线;TOPCon背面收光较差,量产难度很高,目前有布局的企业包括LG、REC、中来等;IBC效率最高,可以达到23.5%~24.5%,但技术难度极高,设备投资高,成本高,国内尚未实现量产,目前布局的企业包括LG、中来、Sunpower等;HIT效率可达23%~24%,工序少、可实现量产,目前已经有松下、通威、晋能、中智、钧石等公司布局,并实现量产,成为高效电池未来的发展方向,但是其目前的最大阻碍是设备投资较贵。
相比于传统的太阳能电池,HIT由于采取了单晶硅衬底和非晶硅薄膜异质结的结构,同时具备了单晶硅与非晶硅电池的优点,具体包括效率提升潜力高、降成本空间大、更高的双面率、可有效降低热损失、更低的光致衰减、制备工艺简单等六大优点。其中,前两个优点尤为值得关注。在效率提升方面,HIT采用的N型硅片具有较高的少子寿命,非晶硅钝化的对称结构也可以获得较低的表面复合速率,因而硅异质结太阳能电池的开路电压远高于传统单晶硅太阳能电池,其效率潜力比当前使用P型硅片的PERC电池要高1.5%~2%。
当前P型单晶PERC电池的转换记录是由晶科能源创造的23.95%,而HIT的转换记录则是日本Kaneka公司创造的26.63%。如果将HIT与其他技术路线叠加起来,电池效率的提升空间会进一步加大。
在降成本方面,HIT结合了薄膜太阳能电池低温的制造优点,避免了传统的高温工艺,不仅大大地节约了燃料能源,而且低温加工环境有利于实现HIT薄片化,减少硅的使用量,降低硅原料成本。HIT工艺流程相对简化,全部生产流程只需四步即可完成,而P-PERC为了实现23.9%的转化效率,需要叠加多种技术,工艺步骤多达8步,由此产生了更高的成本。
当然HIT的缺点也很明显,主要在于工艺要求严格,需要低温组件封装工艺,设备投资高,透明导电薄膜成本高,最终导致电池综合成本较高。
根据PVInfoLink的研究数据,2019年11月,HIT电池的生产成本为1.65元/瓦,远高于单晶PERC的0.93元/瓦。
规划产能已超35吉瓦
从产业的层面来看,全球范围进入HIT已有近20年的产业化历史,而国内企业的布局基本在近五年。
HIT最早由日本三洋公司研发,1991年三洋首次在硅异质结结构的太阳能电池中应用本征非晶硅薄膜,降低了界面缺陷态密度,使载流子复合降低,实现了异质结界面钝化作用,得到本征薄膜异质结电池,其转换效率高达18.1%。
此后HIT的转换效率不断提高,在2003年,三洋通过优化异质结、减少光学损失、增大有效电池面积等方法,使HIT实验室效率达到了21.3%。2010年,三洋宣布扩大HIT组件生产规模,并于2012年被松下收购。2013年,松下研制了厚度仅有98μm的HIT电池,效率达24.7%。2014年,松下采用IBC技术,将HIT电池的转换效率提升到25.6%。
从全球来看,现有产能1吉瓦、量产效率达23%的日本三洋是这个细分领域的老大,HIT技术领先的企业还包括美国光伏企业REC Solar、日本光伏企业Kaneka、美国Solarcity等大企业。
由于HIT的技术门槛高,且长期掌握在以松下和Kaneka为代表的日本企业手中,我国HIT技术的研究明显落后于日本。2015年之后,松下的HIT专利已经过期,技术壁垒消除,这为我国大力发展HIT技术提供了历史性契机。
根据有关统计,我国已有10多家企业布局了HIT,已经规划总产能超过35吉瓦。
其中,2016年,钧石能源建成国内首条拥有自主知识产权100兆瓦高效异质结电池生产线,转化效率突破23%。2019年5月,钧石能源收购了松下马来西亚HIT工厂,控股占比达90%。2019年,钧石能源的产能超过了600兆瓦,产线平均效率为23%,在建的新产线效率将超过25%。
2016年,晋能科技最初规划了2吉瓦产能,2017年实现HIT中试线投产,现有产能100兆瓦,HIT量产最高效率达23.85%,量产平均良率达98.29%,未来的规划产能为1吉瓦,设备正在采购中。
2018年5月,通威股份宣布与中科院上海微系统与信息技术研究所、三峡资本,共同建设规划2吉瓦HIT产能项目。第一片超高效HIT已在2019年6月成功下线,电池片转换效率达23%。三峡资本作为参股方进入,意味着国资对HIT技术看好。
2018年5月,中国电子集团旗下的彩虹新能源股份有限公司宣布,计划在浙江嘉兴建设2吉瓦HIT项目。
2018年7月,爱康科技在浙江长兴县布局的HIT项目规划产能为5吉瓦,分期实施,一期一号厂房已完成主体建设,原本计划2019年年底投入生产。
2019年7月,山煤国际能源集团与钧石能源签了合作协议,双方将共建高达10吉瓦的HIT生产基地。这是中国内地最大规模的HIT投产计划。
2019年8月19日,东方日升年产2.5吉瓦的HIT电池与组件生产项目正式开工。该项目计划形成年产2.5吉瓦电池片、2.5吉瓦组件的生产能力,预计将在2021年实现竣工。
由此而见,国内光伏行业在HIT布局上称得上争先恐后,热火朝天。
量产存重大挑战
尽管国内规划的HIT已经超过35吉瓦,但根据光伏行业媒体光伏们的统计,实际产能只有1.3吉瓦。为何HIT落地这么慢?
根据光伏们的调研,除了较早进入HIT领域的晋能、钧石、中智实现百兆瓦产线量产,以及台湾的联合再生能源50兆瓦、嘉兴上澎40兆瓦小规模量产外,其他基本上都处于中试线试生产或产能建设过程中。整个行业还处在早期示范阶段,尚未实现大规模量产。
出现上述现象的原因,从需求端看,主要是由于HIT成本较高,导致国内外市场需求不足。对此,PV InfoLink首席分析师林嫣容介绍,2018年的“531”政策之后,P型产品价格下降较快,与N型产品拉开更大的价格差距,N型产品销售更为困难,因此HIT计划大多延迟或暂缓,基本上只有钧石在持续稳定量产。
从供给端来看,主要是由于HIT生产设备成本高,导致并未实现大规模量产,性价比优势不明显。目前HIT需要新建产线,不能利用原有产线,初始投资很高,进口生产设备约为8亿~10亿元/吉瓦,国产设备约为5亿~8亿元/吉瓦,是PERC产线的2~3倍。
晋能科技总经理杨立友公开表示,HIT进入大规模量产需要同时满足三个要求:转换效率达到24.5%,成本不能高于单晶PERC的15%,设备初始投资不能超过单晶PERC的1.25倍。
依此标准来看,HIT还处于小范围示范阶段,距离大规模量产还有一段路要走。对此,第三方机构国际“光伏技术线路线”(TRPV)预测,HIT市场份额将从2018年的3%增加到2025年的10%。
全球领先的瑞士太阳能设备公司梅耶博格公司预测,HIT的市场份额2020年将达到8%,2023年将达到10%。
而国内最早做HIT的钧石能源预测,2021年至2023年HIT装机容量将扩产10吉瓦,到2025年HIT的市场份额将有望达到20%。
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