生產(chǎn)技術(shù)持續(xù)創(chuàng)新-推動(dòng)設(shè)備加速迭代

生產(chǎn)技術(shù)持續(xù)創(chuàng)新，推動(dòng)設(shè)備加速迭代

光伏設(shè)備的增長(zhǎng)機(jī)會(huì)來(lái)自光伏制造企業(yè)產(chǎn)能的擴(kuò)張以及設(shè)備的更換。光伏行業(yè)呈現(xiàn)“一代技術(shù)，一代設(shè)備”的特點(diǎn)，技術(shù)的創(chuàng)新，推動(dòng)了設(shè)備加速迭代，也成就了一批又一批光伏設(shè)備企業(yè)。目前光伏行業(yè)面臨平價(jià)上網(wǎng)的重要挑戰(zhàn)，降低度電成本（LCOE）意義非凡，高效電池產(chǎn)能受到越來(lái)越多的客戶的認(rèn)可。為了追求更高的光電轉(zhuǎn)換效率（指電池的電荷載流子數(shù)目與照射在太陽(yáng)能電池表面一定能量的光子數(shù)目的比率），光伏企業(yè)積極創(chuàng)新，并不斷擴(kuò)張高效電池產(chǎn)能，也帶來(lái)了光伏設(shè)備的投資機(jī)會(huì)。生產(chǎn)光伏電池主要分為四大流程：硅料制程、硅片制程、電池片制程和組件制程。我們將分別分析不同環(huán)節(jié)的工藝制程，并對(duì)技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)重點(diǎn)分析，挖掘光伏設(shè)備行業(yè)的機(jī)遇。1、硅料：生產(chǎn)技術(shù)成熟，設(shè)備市場(chǎng)穩(wěn)健當(dāng)前主流的多晶硅（硅料）生產(chǎn)技術(shù)主要有三氯氫硅西門子法（改良西門子法）和硅烷流化床法，產(chǎn)品形態(tài)分別為棒狀硅和顆粒硅。改良西門子法生產(chǎn)工藝成熟，2018年采用此方法生產(chǎn)出的棒狀硅約占據(jù)全國(guó)總產(chǎn)量的96%，是主流生產(chǎn)工藝。改良西門子法的原理是在1100℃左右的高純硅芯上用高純氫還原高純?nèi)葰涔瑁啥嗑Ч璩练e在硅芯上。該方法主要包括四個(gè)流程：1）三氯氫硅的合成與提純。2）三氯氫硅的氫還原。3）四氯化硅的氫化分離。4）尾氣的干法回收。改良西門子法主要設(shè)備包括還原爐、氫化爐、流化床等。其中核心設(shè)備還原爐和氫化爐2012年之前基本被海外企業(yè)壟斷，如Centrotherm、美國(guó)GT、美國(guó)PPP公司等。2012年之后，國(guó)內(nèi)企業(yè)雙良節(jié)能和上海森松等企業(yè)逐步切入該領(lǐng)域，順利實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)替代。多晶硅環(huán)節(jié)產(chǎn)能擴(kuò)張平穩(wěn)，近幾年未出現(xiàn)革命性的技術(shù)創(chuàng)新。2、硅片：?jiǎn)尉Ч杵瑵B透率提升光伏硅片分為單晶硅片和多晶硅片。硅片的生產(chǎn)流程主要包括：1）原材料預(yù)處理；2）直拉單晶/多晶鑄錠；3）切片；4）清洗；5）檢測(cè)包裝。其中單晶直拉/多晶鑄錠是流程難點(diǎn)，對(duì)應(yīng)設(shè)備單晶生長(zhǎng)爐和多晶鑄錠爐難度最高。圖表：硅片制備工藝的流程介紹資料來(lái)源：公開資料整理硅片制程所需要的主要設(shè)備為：?jiǎn)尉L(zhǎng)爐/多晶鑄錠爐、切磨拋設(shè)備（切片、研磨、拋光）。單晶爐供應(yīng)商：晶盛機(jī)電、北方華創(chuàng)、京運(yùn)通、天龍光電、美國(guó)Kayex、德國(guó)PVA等。多晶爐供應(yīng)商：晶盛機(jī)電、京運(yùn)通、精功科技、美國(guó)GTSolar、德國(guó)ALD等公司。切磨拋設(shè)備供應(yīng)商包括：上機(jī)數(shù)控、連城數(shù)控、日本小松NTC、瑞士MeyerBurger等公司。金剛線（切片耗材）供應(yīng)商：三超新材、岱勒新材、楊凌美暢、東尼電子等公司。單晶和多晶路線之爭(zhēng)由來(lái)已久，近年來(lái)市場(chǎng)正在發(fā)生變化，單晶的趨勢(shì)愈發(fā)明顯。首先，單晶電池具備更高的光電轉(zhuǎn)換效率。在晶體硅中，單晶硅具有規(guī)則的結(jié)構(gòu)，因而光電轉(zhuǎn)換效率較多晶硅高。2018年，多晶電池平均轉(zhuǎn)換效率約為19.2%，單晶電池平均轉(zhuǎn)換效率為21.8%。我們認(rèn)為，隨著技術(shù)的推進(jìn)，單晶電池轉(zhuǎn)換效率仍有提升空間，將繼續(xù)保持領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。其次，單晶和多晶電池組件每瓦成本差距逐漸縮小。多晶憑借成本優(yōu)勢(shì)，一度占據(jù)較高市場(chǎng)份額。2017年前后，隨著單晶連續(xù)投料、金剛線切割等技術(shù)的發(fā)展，單晶和多晶的成本差距越來(lái)越小。2017年年初，單晶組件和多晶組件成本約相差0.2元/W，到2018年底兩者僅相差0.06元/W。單晶PERC組件成本略高一些，未來(lái)有較大的下降空間。根據(jù)CPIA數(shù)據(jù)，2018年兩種類型的單晶硅（N型和P型）合計(jì)占比45%，到2019年單晶硅占比將達(dá)55%，超過多晶硅片，成為市場(chǎng)主導(dǎo)。預(yù)計(jì)2025年，單晶市場(chǎng)份額將提升至73%。單晶滲透率提升推動(dòng)國(guó)內(nèi)單晶硅片產(chǎn)能擴(kuò)張，建議關(guān)注國(guó)內(nèi)單晶爐龍頭企業(yè)晶盛機(jī)電。3、電池片：PERC電池持續(xù)擴(kuò)張，N型電池蓄勢(shì)待發(fā)電池片環(huán)節(jié)技術(shù)路線較多，根據(jù)硅片種類可以分為單晶電池和多晶電池，多晶技術(shù)路線主要向黑硅多晶、鑄錠單晶路線發(fā)展；單晶根據(jù)襯底摻雜元素不同分為P型電池和N型電池。P型硅片制作工藝簡(jiǎn)單，成本較低，是目前單晶電池主流產(chǎn)品；N型硅片通常少子壽命較長(zhǎng)，電池效率可以更高，但是工藝更加復(fù)雜。在純硅上先摻雜硼（最外層含有3個(gè)電子），可以得到P型硅，在P型硅上面擴(kuò)散磷元素，形成n+/p型結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)電池即為P型硅片。在純硅上先摻雜磷（最外層含有5個(gè)電子），可以得到N型硅，向N型硅其注入硼元素，形成p+/n型結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)電池即為N型硅片。傳統(tǒng)單晶和多晶電池主要技術(shù)路線為鋁背場(chǎng)技術(shù)（Al-BSF），P型單晶的新型技術(shù)包括PERC路線，N型單晶的新型技術(shù)路線包括PERT（可以進(jìn)一步升級(jí)為TOPCON）、HJT、IBC等路線。圖表:不同電池片生結(jié)構(gòu)和制備技術(shù)電池片技術(shù)創(chuàng)新的主要?jiǎng)恿κ亲非蟾叩霓D(zhuǎn)換效率。我們認(rèn)為，未來(lái)P型高效電池技術(shù)發(fā)展路線為：Al-BSF——>PERC單面——>PERC雙面。N型高效電池技術(shù)發(fā)展路線為：PERT——>TOPCON；HJT——>HBC；IBC——>HBC/TBC。其中，PERC、PERT、HJT幾種新型技術(shù)與傳統(tǒng)的Al-BSF生產(chǎn)流程類似，屬于漸進(jìn)式創(chuàng)新，而IBC技術(shù)制作流程差別較大，屬于革命性創(chuàng)新。（1）Al-BSF電池Al-BSF（常規(guī)鋁背場(chǎng)電池）指在PN結(jié)制備完成后，在硅片的背光面沉積一層鋁膜，制備P+層的光伏電池。鋁背場(chǎng)的作用有：1）表面鈍化，降低背表面復(fù)合速率；2）作為背反射器，增加光程，提高短路電流；3）作為電極輸出端。Al-BSF電池片生產(chǎn)工藝包括制絨清洗、擴(kuò)散制結(jié)、刻蝕、制備減反射膜、印刷電極、燒結(jié)及自動(dòng)分選七道工序，各道工序采用自動(dòng)化程度較高的生產(chǎn)設(shè)備。除此之外，晶體硅太陽(yáng)能電池生產(chǎn)過程中還涉及其他非關(guān)鍵的自動(dòng)化等設(shè)備，如自動(dòng)化裝卸片機(jī)和自動(dòng)化上下片機(jī)、硅片清洗設(shè)備等。圖表:Al-BSF電池片工藝流程及相關(guān)設(shè)備Al-BSF光伏電池片制造環(huán)節(jié)需要用到六大設(shè)備，這些設(shè)備均有國(guó)內(nèi)供應(yīng)商。其中，捷佳偉創(chuàng)是電池片設(shè)備商龍頭（核心產(chǎn)品包括制絨清洗設(shè)備、擴(kuò)散設(shè)備和PECVD），邁為股份是絲網(wǎng)印刷設(shè)備龍頭，羅伯特科是自動(dòng)化設(shè)備的領(lǐng)先企業(yè)。圖表:電池片工藝設(shè)備的國(guó)內(nèi)外供應(yīng)商（2）PERC電池Al-BSF（常規(guī)鋁背場(chǎng)電池）鋁背層的紅外輻射光只有60-70%能被反射，產(chǎn)生較多光電損失，因此在光電轉(zhuǎn)換效率方面具有先天的局限性。PERC技術(shù)通過在電池背面附上介質(zhì)鈍化疊層（Al2O3+SiNx），產(chǎn)生更多反射光增加額外電流，可以較大程度減少這種光電損失。PERC，即發(fā)射極鈍化和背面接觸（Passivatedemitterandrearcontact），利用特殊材料在電池片背面形成鈍化層作為背反射器，增加長(zhǎng)波光的吸收，同時(shí)增大P-N極間的電勢(shì)差，降低電子復(fù)合，提高效率。PERC不僅可以做成單面，還可以做成雙面電池。PERC工藝主要在常規(guī)電池生產(chǎn)工藝中增加了兩道額外工序，一是沉積背面鈍化疊層（增強(qiáng)背面鈍化反射能力），二是背面鈍化層激光開槽（打通鈍化疊層形成電學(xué)通路）。PERC電池不需要另開生產(chǎn)線，在常規(guī)電池生產(chǎn)流程中增加兩道工序即可完成升級(jí)，需要增加的設(shè)備是背部鈍化設(shè)備（PECVD）和激光開槽設(shè)備。近幾年，PERC產(chǎn)能快速擴(kuò)張過程中，PECVD和激光開槽設(shè)備業(yè)績(jī)彈性最大。PERC設(shè)備基本國(guó)產(chǎn)化，PECVD主要由捷佳偉創(chuàng)、北方華創(chuàng)、豐盛裝備等公司供應(yīng)，激光開槽設(shè)備主要由帝爾激光、大族激光等公司供應(yīng)。（3）N-PERT電池Al-BSF和PERC采用P型硅制造，普遍存在光致衰減（LID，指組件首次暴露在光照下后功率損失的百分比）現(xiàn)象，主要是硼氧復(fù)合引起。其次，由于PERC電池中常用的摻雜水平較高，因此采用PERC技術(shù)后，LID的負(fù)面效應(yīng)會(huì)增加。N型電池不存在LID現(xiàn)象，同等摻雜情況下，N型電池光電轉(zhuǎn)換效率高于P型電池。隨著市場(chǎng)對(duì)光電轉(zhuǎn)換效率重視度的提升，N型電池有望成為未來(lái)趨勢(shì)。PERT、HJT、IBC電池均為N型電池技術(shù)路線。PERT（鈍化發(fā)射極背表面全擴(kuò)散電池）是一種典型的雙面電池。相比PERC電池，PERT電池采用了N型硅作襯底，降低了LID現(xiàn)象；其次這種電池的正面和反面均可以接受光照并能產(chǎn)生光電壓和電流，能夠有效提升光電轉(zhuǎn)換效率。相比BSF生產(chǎn)工藝，N-PERT電池制造流程區(qū)別在于正面擴(kuò)硼、背面離子注入磷和背面鈍化疊層的制備，需要的設(shè)備包括硼擴(kuò)散爐、離子注入機(jī)和板式PECVD，目前硼擴(kuò)散爐和板式PECVD依賴進(jìn)口。此外，相比PERC工藝，PERT由于背面鈍化疊層膜為SiO2+SiNx（PERC采用了Al2O3+SiNx，形成了絕緣的介電層），減少了激光開槽工藝。（4）TOPCON電池N-PERT電池雖然實(shí)現(xiàn)了雙面發(fā)電，但效率提升有限，與PERC電池相比沒有性價(jià)比優(yōu)勢(shì)。PERT+TOPCON電池可以進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)換效率，有望成為下一代產(chǎn)業(yè)化的N型高效電池。TOPCON（隧穿氧化層鈍化接觸）技術(shù)是在電池背面制備一層超薄的隧穿氧化層和一層高摻雜的多晶硅薄層，二者共同形成了鈍化接觸結(jié)構(gòu)。超薄氧化層可以使多子電子隧穿進(jìn)入多晶硅層同時(shí)阻擋少子空穴復(fù)合，電子在多晶硅層橫向傳輸被金屬收集，從而極大地降低了金屬接觸復(fù)合電流，提升了電池的開路電壓和短路電流。TOPCON技術(shù)可以作為N-PERT技術(shù)的升級(jí)版，TOPCON電池與PERT電池生產(chǎn)工藝兼容，主要區(qū)別在于背面鈍化疊層鍍膜工藝有所差異，TOPCON電池背面需要制備隧穿氧化層（硝酸濕法氧化）和多晶硅薄層（PECVD沉積）的工藝。PERT產(chǎn)線升級(jí)為TOPCON產(chǎn)線，效率增幅大，成本增加少。與PERT電池設(shè)備類似，TOPCON電池工藝的中硼擴(kuò)散設(shè)備、背面多硅薄層鍍膜設(shè)備、磷擴(kuò)散設(shè)備主要依賴進(jìn)口，捷佳偉創(chuàng)等國(guó)內(nèi)企業(yè)正在進(jìn)入。（5）HJT電池HJT（異質(zhì)結(jié)）電池同樣是N型電池，是一種利用晶體硅（c-Si）和非晶體硅（α-Si）薄膜制成的光伏電池。HJT電池工藝比PERC和PERT簡(jiǎn)單，主要流程包括制絨清洗、生長(zhǎng)非晶硅薄膜（CVD沉積硼和磷）、雙面鍍TCO（透明導(dǎo)電薄膜）、絲網(wǎng)印刷、燒結(jié)。HJT電池技優(yōu)勢(shì)包括：1）電池結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工藝流程短。2）電池開壓高。3）HJT電池工藝一般在200℃以下，對(duì)硅底材料要求低；熱能投入少，同時(shí)對(duì)環(huán)境潔凈度要求較低。4）可以雙面發(fā)電。5）柔性好，可以制備柔性組件。HJT電池憑借非常高的轉(zhuǎn)換效率（2019年平均效率達(dá)23%，比P型電池高1%-2%），被給予厚望，但目前HJT電池生產(chǎn)設(shè)備價(jià)格昂貴，投資成本高，降低成本是首要任務(wù)。綜合來(lái)看，我們認(rèn)為HJT電池具備工藝流程短、轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)勢(shì)，有望成為下一代主流電池技術(shù)，建議關(guān)注具備競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的HJT電池設(shè)備供應(yīng)商。生產(chǎn)HJT電池的核心設(shè)備包括槽式清洗設(shè)備、非晶硅薄膜生長(zhǎng)設(shè)備Cat-CVD、PECVD，以及TCO鍍膜設(shè)備的PVD和RPD，核心設(shè)備主要依賴進(jìn)口。2019年年初，理想萬(wàn)里暉在某標(biāo)志性百兆瓦級(jí)HJT項(xiàng)目的PECVD設(shè)備國(guó)際競(jìng)標(biāo)中，戰(zhàn)勝了瑞士MeyerBurger和美國(guó)的應(yīng)用材料，成功奪標(biāo)。這是我國(guó)不依賴海外技術(shù)第一次在高端板式PECVD領(lǐng)域打敗了海外巨頭。圖表:HJT電池設(shè)備情況6）IBC電池IBC（交叉背接觸電池技術(shù)）指電池正面無(wú)電極，正負(fù)兩極金屬柵線呈指狀交叉排列于電池背面。IBC電池將PN結(jié)、基底與發(fā)射區(qū)的接觸電極以叉指形狀全部做在電池背面，完全消除了前表面柵線的遮光，同時(shí)無(wú)須考慮前表面減反射結(jié)構(gòu)對(duì)電極接觸的影響，為前表面陷光結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)更低反射率提供了更大的優(yōu)化空間和潛力。根據(jù)CPIA數(shù)據(jù)，2019年IBC電池轉(zhuǎn)換效率約為23.6%，是目前量產(chǎn)轉(zhuǎn)換效率最高的電池。IBC電池的優(yōu)勢(shì)在于開壓高，無(wú)柵線遮擋，全背面金屬化，填充高，串阻低。但是IBC電池對(duì)襯底質(zhì)量要求高，工藝復(fù)雜，成本非常高，目前量產(chǎn)的企業(yè)非常少。日本Kaneka公司將HJT技術(shù)和IBC技術(shù)結(jié)合創(chuàng)造了更加高效的電池，稱為HBC（Hetero-junctionBackContact）技術(shù)，創(chuàng)造了實(shí)驗(yàn)室最高轉(zhuǎn)換效率26.6%的世界紀(jì)錄。HBC電池比HJT電池最大的特點(diǎn)是沒有前表面柵線電極，極大降低了柵線對(duì)太陽(yáng)光的遮擋。IBC制造工藝與BSF、PERC、N-PERT、TOPCON、HJT等流程完全不同，是全面的創(chuàng)新。具體流程包括：1.化學(xué)拋光去損傷；2.BBr3管式擴(kuò)散；3.干氧生長(zhǎng)掩膜；4.絲網(wǎng)印刷、局部BSF開孔；5.POCL3管式擴(kuò)散；6.制絨；7.雙面鈍化；8.絲網(wǎng)印刷、局部接觸開孔；9.絲網(wǎng)印刷-金屬化。IBC電池技術(shù)目前主要停留在實(shí)驗(yàn)室階段，量產(chǎn)企業(yè)非常少，相關(guān)設(shè)備公司正在積極研發(fā)。4、組件：MBB、半片、疊片技術(shù)多點(diǎn)開花組件加工指將一片片光伏電池片封裝，使其能夠在戶外惡劣的環(huán)境下運(yùn)行。光伏組件封裝工藝包括六大步驟：電池片檢測(cè)、焊接和串焊、組件層疊、組件層壓、安裝邊框和接線盒、成品測(cè)試。其中核心工藝包括串焊、層疊、層壓和檢測(cè)，需要的核心設(shè)備包括串焊機(jī)、疊壓設(shè)備、層壓機(jī)、功率測(cè)試設(shè)備。圖表:組件工藝及對(duì)應(yīng)的設(shè)備目前國(guó)內(nèi)主要的太陽(yáng)能電池組件設(shè)備商包括金辰股份、奧特維、先導(dǎo)智能、蘇州晟成、蘇州宏瑞達(dá)、博碩光電等公司，海外公司包括瑞士MeyerBurger公司、德國(guó)Schmid公司、美國(guó)Spire公司等。光伏組件的技術(shù)更新路線主要是為了降低制造成本，其中主要是用于制作柵線的銀漿成本；其次是減少對(duì)受光區(qū)的遮擋；此外，還可以通過降低柵線電流進(jìn)而降低電阻損耗，進(jìn)而提高光電轉(zhuǎn)換效率。組件市場(chǎng)主要技術(shù)路線包括多主柵電池、半片或疊瓦電池。（1）多主柵組件多主柵（MBB）技術(shù)通過增加電池片上的主柵數(shù)量（降低主柵寬度，從而降低銀漿使用量）；降低對(duì)受光區(qū)的遮擋，提升受光面積；并使電池片上的電阻、電流分布更加均勻，從而降低阻抗損失。傳統(tǒng)組件為5條主柵，MBB一般指擁有7條以上的主柵線，市場(chǎng)主流為12條主柵。根據(jù)CPIA數(shù)據(jù)，同樣60片電池片的組件，MBB組件功率可以提高2-3W。2018年5主柵市場(chǎng)占比85.0%，4主柵占比8.8%，MBB占比僅為3.8%。CPIA預(yù)計(jì)到2021年，MBB、5主柵、4主柵占比分別為53.3%、33.3%、0%，MBB將超過5主柵，成為市場(chǎng)占比最大的光伏電池種類。圖表:各種主柵產(chǎn)品市場(chǎng)份額變化MBB技術(shù)要求主柵寬度更窄，提高了對(duì)多主柵串焊機(jī)的要求。常規(guī)5主柵電池的主柵寬度為1mm，MBB電池的主柵可窄至0.1mm、焊盤寬度只有約0.4mm，焊帶寬度大幅減小，焊帶數(shù)量大幅增加，焊帶的形狀也由扁平狀變?yōu)閳A柱狀，從而對(duì)串焊機(jī)的焊接能力、精度和穩(wěn)定性提出了更高要求。（2）半片組件減小單片電池面積，降低電流，進(jìn)而降低內(nèi)部損耗同樣可以提高組件功率。半片組件和疊瓦組件是兩種解決方案。全片