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美国设备厂商应用材料生产的PECVD设备脱胎于TFT-LCD显示屏所使用的PECVD设备,有着深厚的技术工艺经验积累,其腔体面积较大,可同时容纳更多硅片进行镀膜,且在大面积下保持优秀的成膜质量。其最主要的特点是采取了团簇式(cluster)的腔体排列方式,不同腔体可同时工作在不同批次的硅片上以提升生产节拍。
理想万里晖与钧石能源领衔国产厂商:理想万里晖专注于HJT电池PECVD设备的研发和生产,其设备的特点之一是采用了双真空反应腔,减小了反应腔体的体积,不易产生颗粒物,生产过程中气体消耗较少,同时采用上下极板同时加热的方式,不易产生热漂移。目前理想万里晖PECVD设备已实现25.11%的HJT电池实验室转换效率世界纪录。钧石能源自2010年起即开始对HJT电池与设备进行研发,在电池技术和设备工艺方面均取得了较大突破,目前其自研PECVD设备可支撑HJT电池达到24.1%的平均转换效率。此外,迈为股份、捷佳伟创、金辰股份等上市公司亦已积极投入PECVD设备的研发,且已取得阶段性成果。
PECVD国产化是HJT设备降本的主要推动力:PECVD是HJT电池生产过程中的核心设备,其价值量在整条生产线中的占比约50%-60%。目前梅耶博格与应用材料两家企业所生产的PECVD在成膜质量、设备产能等主要指标方面各具优势,但设备价格相对较高,折算到GW产能价格超过5亿元。因此,通过PECVD的国产化以降低设备价格是HJT设备降本的主要推动力。
扩大产能是PECVD降本的可行路径:降低单GW设备价格的主要思路是在不显著提高设备成本的基础上扩大设备产能,具体路径包括提高生产节拍、增加单腔体处理硅片数量等,各国产厂商一般通过缩短镀膜工艺时间、扩大腔体面积、堆叠腔体数量、优化腔体排布与工艺流程等方式实现。其中,提速、扩大面积等方式或影响成膜质量,改变腔体排布结构与工艺流程等方式则对生产过程中配套自动化的质量提出了新的要求。相比于其他三道主工艺设备5000-6000片/h的生产节拍,PECVD设备的生产节拍相对较慢,亟需在此方面进行研发改进。
国产设备须取得产能、性能、价格之间的平衡:我们认为国内厂商或可博采梅耶博格、应用材料等优秀厂商的不同设计思路,在满足HJT设备性能要求的基础上进行设备结构与工艺指标的优化,以在产能、性能、价格之间取得平衡。从近期国内企业取得的研发进展来看,预计国产PECVD设备有望在达到单台150-250MW产能的基础上将价格水平降低至3亿元/GW以下,进而有望将整条生产线的设备投资降低至5亿元/GW以下。
3其他主设备:国内企业积极入局,国产化全面推进
3.1TCO薄膜沉积:PVD磁控溅射为主流工艺
TCO薄膜可增强电荷输送能力:在HJT电池中,位于硅片两侧的非晶硅薄膜层提供了良好的钝化接触效果,但其整体呈现长程无序结构,使得层内载流子迁移率较低,电池电流不能充分地被金属电极收集。为了解决这一问题,可以使用既可导电又可透光的薄膜来对电荷进行输运,实际常用TCO(透明导电氧化物)薄膜。高质量的TCO薄膜可有效提升HJT电池的整体转换效率。
PVD磁控溅射为现时主流工艺:目前最常用于沉积TCO薄膜的方法是物理气相沉积(PVD)大类下的磁控溅射(Sputtering)工艺。此工艺的基本原理是在电磁场的作用下,被加速的气体高能粒子(Ar+)轰击镀膜靶材,靶材表面的原子获得能量逸出表面后沉积到衬底(已完成非晶硅镀膜的电池片半成品)表面生成氧化物薄膜。
RPD工艺亦有应用:在磁控溅射以外,反应等离子体沉积(RPD)工艺在TCO镀膜中亦有应用。在镀膜设备中,Ar气体通过等离子体枪产生等离子体,通过磁场引导Ar等离子体轰击靶材,靶材温度升高后升华产生气体再沉积到衬底上形成氧化物薄膜。
相较于PVD,RPD工艺过程中较少涉及能量粒子对衬底电池片的直接轰击,因此工艺对衬底损伤较小,且衬底温度相对较低,加之其使用的IWO(掺钨氧化铟)材料的电学性能优于PVD使用的ITO(氧化铟锡)材料,整体上应用RPD工艺的HJT电池转换效率略高于应用PVD工艺的电池。然而RPD工艺同时也具有核心部件依赖进口且专利保护严密、靶材供应商少且成本较高、设备来源单一等问题,PVD相对而言应用更为广泛,设备、靶材均在一定程度上可与显示屏行业通用,国产化程度亦相对较高,故而现时PVD磁控溅射为TCO镀膜环节的主流工艺。
国产设备产能稍有劣势:TCO镀膜环节,主要的海外PVD设备供应商包括德国冯阿登纳、德国新格拉斯、瑞士梅耶博格等,其中新格拉斯的PVD设备已可实现10000片/h的生产节拍。国内厂商则有湖南宏大、湖南红太阳、钧石能源、杭州上方等企业投入研发,部分企业可做到6000片/h的生产节拍,预计单机产能约250MW。RPD方面,海外供应商为保有核心专利的日本住友,国内捷佳伟创拥有专利授权,其生产的220MW设备已应用于爱康科技HJT电池中试研发线。
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