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异质结:光伏电池未来5年重大技术变革!

日期:2021-07-30    来源:浙商证券

国际太阳能光伏网

2021
07/30
08:47
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关键词: 异质结 光伏电池 技术变革

光伏电池片未来5年将迎重大技术变革

光伏行业:由政策+技术驱动,行业发展犹如“长江后浪推前浪”,伴随每一代技术进步,中国出现了尚德、英利、协鑫、隆基、通威等一批又一批的光伏行业龙头。

未来5年:电池片是光伏产业链重大技术变革环节,设备受益迭代需求。

技术发展史:铝背场BSF电池(1代,2017年以前)→PERC电池(2代,2017年至今)→PERC+/TOPCon(2.5代)→HJT电池(3代)→HBC电池(4代,可能潜在方向)→钙钛矿叠层电池(5代,可能潜在方向)。

光伏行业的核心是“降本+升效”、降低度电成本。单晶电池技术的不断迭代,带来转换效率从2014年的19%上升至2020年的23%-24%,预计未来有望迈向30%。

异质结:“增效+降本”潜力巨大,是光伏未来颠覆性技术

2.1.HJT电池:产业化临近、规划产能超60GW,将取代PERC成为第三代电池片技术

晶体硅异质结太阳电池(HJT)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,具有转换效率高、工艺温度低、稳定性高、衰减率低、双面发电等优点,技术具有颠覆性。

对比PERC电池,HJT潜力巨大,将成为第三代电池片技术主流。据我们综合测算,HJT在25年全生命周期综合发电量较PERC高15%-20%。

1)转换效率更优:HJT效率潜力超28%,远高PERC电池。受P型单晶电池自身材料的限制,PERC电池转换效率已接近天花板,而HJT最高转换效率已超26%(日本Kaneka曾创26.63%,国内最高为汉能的25.1%),长期有望超28%,效率优势明显。

2)工艺流程更简化,降本空间更大:HJT为低温工艺,在硅片成本(利于薄片化和减少热损伤)和非硅成本(燃料能源节约)上均更优。同时,HJT只需4道工艺,相比PERC(8道工艺)和TOPCon(9-12道工艺)成本更低。

3)光致衰减更低:HJT电池10年衰减率小于3%,25年发电量下降仅为8%,衰减速度远低于PERC及TOPCon电池。

4)低温系数、稳定性高:在82摄氏度环境下,HJT光电转换效率比传统组件高出13%。

5)双面率更高:HJT为双面对称结构,双面率有望提升至93-98%(PERC和TOPCon均在80%附近,但很难再提升),可获得10%以上的年发电量增益。

回顾历史:异质结(HJT)电池最早由日本的三洋(Sanyo)公司于1990年研发,专利保护于2010年过期。在过去30年间,产业经历了萌芽期、实验室阶段、初步的商业化阶段和逐步的产业化阶段。

据不完全统计,目前HJT国内规划产能超60GW,新老电池片厂商均有开始布局。安徽华晟(500MW量产线)、明阳智能(5GW规划)、金刚玻璃(1.2GW规划)、爱康科技(3.4GW招标规划)、润阳集团(5GW规划)等已纷纷开始布局,历史包袱较轻。

传统电池片厂商中,通威(金堂1GW量产线)、晶澳、东方日升、阿特斯、天合光能等也已相继进入,加速从PERC向HJT的转型。

展望未来:预计2020-2021年将成为HJT投资元年,行业扩产规模将达到10-15GW。随着设备国产化、银浆和靶材成本的降低、以及转换效率提升带来的“增效+降本”效益凸显,2022年行业将进入快速爆发阶段、扩产规模有望达30GW以上。

2.2.HJT设备:多技术路线“百花齐放”,国产设备厂将强力推动产业化进程

HJT 4大工艺步骤:制绒清洗、非晶硅薄膜沉积、TCO制备、电极制备,对应的设备分别为清洗制绒设备、PECVD设备、PVD/RPD设备、丝网印刷设备,在设备投资额占比分别约10%、50%、25%和15%。

1)制绒设备:主要是利用化学制剂对硅片进行清洗和表面结构化,核心设备是湿式化学清洗设备。

主要厂商:日本YAC、德国Singulus、德国RENA。捷佳伟创的清洗设备已完成样机并交付。

2)PECVD(非晶硅薄膜沉积):该步骤取代了传统PERC工艺中的扩散工艺,是构造异质结结构的关键,难度、壁垒最高,价值占到全部设备的50%,为异质结设备的核心。

从技术路径上:板式PECVD是目前主流,管式PECVD、Cat-CVD具潜力。国外厂商包括:梅耶博格(已不对外提供)、应用材料等。国内厂商包括:迈为股份、金辰股份、捷佳伟创、理想能源、钧石能源等。

板式PECVD:将多片硅片放置在一个石墨或碳纤维支架上,放入一个金属的沉积腔室中,腔室中有平板型的电极,与样品支架形成一个放电回路,在腔室中的工艺气体在两个极板之间的交流电长的作用下在空间形成等离子体,分解SiH4中的Si和H,以及NH3中的N形成SiNx沉积到硅表面。优势:技术最成熟,易实现大面积均匀性,材料缺陷态密度低。

管式PECVD:使用像扩散炉管一样的石英管作为沉积腔室,使用电阻炉作为加热体,将一个可以放置多篇硅片的石墨舟插进石英管中进行沉积。优势:相比板式PECVD,成本端有更大的下降空间。

CAT-CVD:源气体分子在真空室中通过加热的催化剂进行催化裂化反应分解,并将裂解的物质输送到基材上形成薄膜。

优势:相比传统PECVD,转换效率提升潜力大,对于源气体的利用率在80%以上。且Cat-CVD理论上可在热丝两侧同时沉积,生产速度更快。

3)TCO薄膜设备-PVD/RPD:技术壁垒低于PECVD,主要包括RPD和PVD两种的技术路径设备。目前主流技术路线是用PVD(物理气相沉淀),相较于PVD,RPD的效率和质量更高,但是受制于日本住友公司对设备和靶材的垄断,成本较高。

国外厂商包括:瑞士Meyerburger、德国Vonardenne、德国Singulus、日本住友等。

国内厂商包括:迈为股份PVD(MUP8K)设备已达到8000片/小时产能。捷佳伟创通过与日本住友合作也具备了RPD设备的供应能力,工艺成熟,并推出了PAR(RPD+PVD)二合一设备、在转换效率和成本端取得平衡。钧石能源、理想万里晖均有PVD设备布局。

4)丝网印刷机:包括丝网印刷(包括丝网印刷机,烧结炉,分选机)和电镀铜电极两种技术路线,目前以丝网印刷为主流。

电镀铜电极相较而言更便宜,但是工序较多、工艺复杂、有废水处理难等问题,目前参与厂商较少。

国外厂商包括Baccini(AMAT的子公司)等。

国内厂商:迈为股份占主导地位,捷佳伟创、金辰股份也推出了相关产品。

目前,HJT设备4大环节均已实现国产化。国内电池设备厂商(迈为、捷佳、金辰、钧石、理想)已纷纷在HJT不同工序环节布局,实现小批量订单销售,推动HJT电池行业加速前进。

HJT技术壁垒高、成本优化空间大,只有将设备做到极致的企业能最终胜出。行业可能类似PERC时代,形成2-3家寡头垄断的竞争格局。

3.3.展望未来:成本降低是核心!预计2022年将具备产业化性价比、行业将爆发

电池片核心看单W成本:我们预计各项成本均有望在未来下滑,预计到2022年HJT将达到与PERC旗鼓相当的成本区间。4大降本方向分别为:

1)硅片:目前N型硅片对比P型具有约8%左右的溢价空间,未来有望通过2方面降本。

HJT为低温工艺,利于硅片的薄片化(从170um降低至120-130um)。预计硅片每减薄20um价格可下降10-15%,对应组件价格降低5-6分/瓦。

随着未来N型硅片需求起量,规模效应将缩小N型与P型硅片之间的溢价空间。

2)设备折旧:随着国产设备的“降本+提效”,目前4-5亿/GW的设备投资额仍有较大的降本空间。

3)浆料:HJT需使用低温银浆,目前主要依赖进口,有望通过4大方向降本。

无主栅、多主栅技术在HJT电池、组件上的应用,使得银浆的耗量快速减少。

“银包铜技术”商业化量产,将降低银浆耗量30%。

通过对串焊设备精度的提升,减小银浆主栅上焊接点的大小(银浆主栅上耗银量较高的部分),从而节省主栅上的银浆耗量。

国产低温银浆起量(常州聚和、苏州晶银、浙江凯盈等),打破日本垄断,相比高温浆料的溢价将大幅消失。

4)靶材:目前主要被日本住友垄断,未来将通过提升靶材利用率、规模化回收、背面AZO替代和国产化(广东先导、壹纳光电等)降本等方式解决。

据测算,对比PERC电池目前约7毛/瓦的不含税总成本,HJT电池仍有2毛/W的成本劣势。

预计随着设备厂商的技术进步(如转换效率和节拍的提升)、银浆、靶材的国产化(已有多家国产厂家布局)、硅片的薄片化(N型硅片厚度降至120-130μm),将共同推动HJT技术的真实降本,使得经济性进一步凸显,预计到2022年HJT将达到与PERC旗鼓相当的成本区间。

伴随HJT电池产业化经济性逐步接近、超越PERC电池,预计2021年将有10-15GW的HJT扩产潮,2022年将迎来30GW以上扩产潮,产线建设进入加速期。


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