光伏业产业前景好不好 以后产品发展方向是伸向那里?

1、全球光伏产业发展向好,我国光伏产业规模全球领先

光伏发电是利用太阳能电池材料的光生伏特效应(光伏效应),将光能转变为电能的一种发电形式。

光伏发电的主要原理是半导体的光伏效应,当光子照射到金属上时,它的能量可以被金属中某个电子全部吸收,电子吸收的能量足够大,能克服金属原子内部的库仑力做功,离开金属表面逃逸出来,成为光电子。

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N 型半导体和 P 型半导体可以构成 PN 结,当太阳光照射到 PN 结后,电流便从 P 型一边流向 N 型一边,产生电流。

太阳能电池是一种利用太阳光直接发电的光电半导体薄片,在满足一定光照条件时可以输出电压并且在回路上产生电流,其理论基础即为光伏发电。

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目前晶体硅电池占据主要市场。

光伏发电的技术路线包括晶体硅太阳能发电和薄膜太阳能发电等,晶体硅太阳能发电还可分为单晶硅太阳能发电和多晶硅太阳能发电,分别对应单晶硅电池和多晶硅电池。晶体硅电池具有光电转换效率高、工艺成熟、原料储量丰富等优点,占有太阳能电池 95%的市场。

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光伏行业“一波三折”,近年来实现快速发展。

1938年法国科学家发现光伏现象,自此光伏开始登上历史舞台。

从1954年贝尔实验室研发出单晶硅电池到现在,全球光伏行业经历了1973年开始的开发利用热潮,也遭遇过20世纪80年代的行业低谷。1992年后在环境问题的重视下,全球开始重视清洁能源,光伏产业开始再次焕然新生。

21世纪初,光伏装机量开始快速增长。根据国际可再生能源署(IRENA)数据,2008年至 2020年期间,全球光伏累计装机容量从15.25GW增长至713.97GW,年均增速高达37.78%。

全球新增装机量从2008年的6.27GW 增长到2020年的126.84GW,12年时间增长了近20 倍。2020年全球疫情爆发,但光伏新增装机量仍然达到了126.83GW,同比增长21.6%,光伏行业在过去十年实现了爆发式增长。

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亚洲地区发展迅速,中国是目前最大市场。

早期全球光伏产业主要集中在欧洲地区,2011年欧洲光伏新增装机 量占全球总量的74%,随着欧洲债务危机爆发,欧洲地区对电力的需求也放缓,光伏装机速度开始下降。此后 亚洲和北美地区的装机量开始逐渐增长,2013年亚洲新增装机量占全球的52.34%,首次超过欧洲地区。

根据国际可再生能源署发布数据,2013年~2020年期间,中国新增装机容量总和占亚洲市场的 63.33%,占全球新增装机总量的40.60%,中国市场已经是全球最大的光伏市场,日本、印度、越南和韩国也是亚洲光伏市场的重要参与者。

欧洲地区目前仍然在全球占有重要的市场地位,其中德国、意大利、西班牙、英国、法国、荷兰、乌克兰、比利时在2020年的累计装机件均超过5GW。北美地区主要以美国为主,2020年北美新增装机容量为16.11GW,其中美国贡献比例达92.44%,2020年墨西哥累计装机量为5.64GW。

根据中商产业研究院数据,2020年中国、美国、越南、日本、澳大利亚新增装机量占全球的 35.1%、15.35%、8.78%、4.82%、4.82%和 3.59%。

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2021年中国市场继续领先,全球光伏行业仍然具有巨大的成长空间。

根据 IEA 数据,2021年全球光伏新增装机量175GW,其中中国新增装机量54.9GW、美国新增装机量26.9GW、欧盟新增装机量26.8GW,是全球前三大市场,中国仍然保持领先。

根据 IRENA 预测,在现有各国的政策框架下,IRENA 预测到2030年可再生能源装机容量将增加 0.9 TW,达到3.7 TW。若要实现2030年全球升温控制在 1.5°C 的目标,2030年可再生能源装机需达到 10.8TW,2050年进一步增长至 27.8TW,并占 90%的电力份额。

IRENA 在2019年预测全球2030年光伏累计装机量可达到 2840GW,而2021年全球累计装机量仅为942GW,还有两倍以上的成长空间。

根据 CPIA 预测数据,2022至2030年,全球光伏年新增装机量仍将保持增长,预计2030年新增装机量为315GW (保守)~366GW(乐观)。总体而言,全球光伏行业仍具有成长性,同时各国也均推出较好的发展政策,未来将持续增长。

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我国光伏产业规模全球第一,行业景气度保持较高水准。

我国科技发展迅速,光伏产业享受到技术面优势和政策面红利,得到了快速的发展,逐步得到全球市场的认可,取得了一定的国际竞争优势,已经具备全球最完整的光伏产业链。

中国光伏装机量增长迅速,2021 年我国光伏累计装机量为 306.56GW,同比增长 21%,连续 7 年 全球第一。2021 年我国新增光伏发电并网装机容量约 5300 万千瓦,连续 9 年稳居世界首位。

从零部件环节来看,2021 年我国多晶硅产量 50.5 万吨,同比增长 28.8%,连续 11 年全球第一。2021 年我国光伏组件产量为 182GW,连续 15 年全球第一。2021 年我国硅片产量为 227GW,同比增长 40.7%,我国电池片产量为 198GW,同比增长 46.9%。由此可见,我国光伏产业规模处于全球绝对的领先地位。

我国 2021 年新增装机量为 54.93GW,同比增长 14%。2022 年一季度,我国光伏装机量同比增长 22.9%,我国光伏行业仍然保持较高的景气度。

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光伏产业各环节具有较高的集中度。根据中国光伏协会数据,2021 年多晶硅行业 Top5 产量平均为 8.5 万吨,合计市占率 86.7%;硅片行业 top5 平均产量超过 38GW,合计市占率 84%;电池片行业 TOP5 平均产量超过 21GW,合计市占率 53.9%;组件行业 top5 平均产量超过 23GW,合计市占率 63.4%。总体而言,光伏各细分环节具有较高的集中度,其中多晶硅环节和硅片环节更为明显。

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分布式光伏占比逐渐提升。

根据中商情报网数据,2021 年我国分布式光伏累计装并网机量为 107.5GW,占装机总量的35%,相对于2016年的13%具有明显提升。

从新增装机量看,2021年我国分布式光伏新增装机量为29GW,占新增装机总量的 53%,占比首次超过集中式装机,在我国分布式光伏整县推进等政策的导向下,分布式光伏将保持较好的成长性。

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我国光伏发电行业具有政策护航,具有良好成长空间。

2013年,在国务院《关于促进光伏产业健康发展的若干意见》及一系列配套政策支持下,光伏发电快速发展。

2014年新增装机容量 1060 万千瓦,约占全球新增装机的五分之一,占我国光伏电池组件产量的三分之一,实现了《国务院关于促进光伏产业健康发展的若干意见》中提出的平均年增 1000万千瓦目标。

2015年新增装机容量 1513 万千瓦,完成了 2015 年度新增并网装机 1500 万千瓦的目标,占全球新增装机的四分之一以上,占我国光伏电池组件年产量的三分之一,为我国光伏制造业提供了有效的市场支撑。

根据《国家能源集团关于加快光伏发电产业发展指导意见》,2020-2025年,国家能源集团光伏装机容量需新增2500-3000万千瓦(25-30GW),加大经济发达地区装机比重,光伏装机规模在集团电力总装机中占比7%-8%。

根据国务院《2030年前碳达峰行动方案》,到2030年,非化石能源消费比重达到25%左右。2021年我国光伏累计装机量仅为306.56GW(约3.1亿千瓦),国内光伏市场还远未饱和。

根据中国光伏行业协会(CPIA)预测,2025年我国光伏年新增装机量为 90 GW ~110GW,2030年我国光伏年新增装机量为105GW~128GW,未来我国光伏新增装机量仍有望持续增长。

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光伏发电技术发展推动成本快速下降。

目前的光伏电站成本主要由光伏电站建设成本和运维成本构成,由于光伏发电不消耗燃料,因此运维成本较低。

电站建设成本由非技术成本、关键设备成本、建安费用和组件成本构成,其中组件成本占 46%左右,非技术成本约 14%,关键设备成本和建安费用合计占 40%。

目前单晶 PERC 大尺寸电池技术日趋成熟,光电转换效率不断提高,每瓦光伏组件所需原材料和制造成本均实现下滑,同时高转换效率的电池组件也能节省电站面积,减少发电站的建设成本,光伏发电成本实现大幅下降。

根据润阳股份招股书数据,2020 年全球光伏平准化发电成本较 2010 年下降约 85%,并且最低中标记录也不断刷新。

根据根据 CPIA 数据,2021 年全投资模型下地面光伏电站在 1,800 小时、1,500 小时、1,200 小时、1,000 小时等效利用小时数的平准发电成本分别为 0.21、0.25、0.31、0.37 元/度,与全国脱硫燃煤电价平均值 0.3624 元/度相当。

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2、光伏电池行业格局

光伏产业可以分别为硅料、硅片、电池、组件和光伏系统等环节,其中硅料与硅片环节为产业上游,电池片与光伏组件为行业中游,下游为发电系统。

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在硅料环节,工业硅被提纯成为光伏级多晶硅料;在硅片环节,多晶硅料被加工成为单晶硅棒或多晶硅锭,再经过截断、开方、切片等工艺,得到单晶硅片或多晶硅片;在电池片环节,硅片经过制绒清洗、扩散制结、刻蚀、化学气相沉积和丝网印刷、烧结等步骤,得到硅基光伏电池片;在组件环节,光伏电池片将与光伏胶膜、光伏玻璃背板等组装在一起,得到可以应用于下游光伏电站的光伏组件。

电池片是太阳能发电的核心部件,通常分为单晶硅、多晶硅、和非晶硅电池片,由于晶体硅电池具有光电转换效率高、工艺成熟、原料储量丰富等优点,因此目前晶体硅电池片占有主要市场份额,并且以单晶硅为主。

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全球光伏电池片规模持续增长,中国拥有全球最大产能。

2019 年全球电池片产能为 210.9GW,产量为 140.1GW,分别增长 21%和 23%,全球电池片产能不断提升,产业规模持续扩大。同时行业产能利用率也在提升,2019 年 全球产能利用率为 66.43%,相对于 2018 年的 65.32%提升了 1.11 个百分点。

中国是全球最大的电池片生产基地,2019 年中国电池片产能占全球总产能的 77.7%,远高于马来西亚、韩国、中国台湾等全球其他地区。根据 CPIA 数据,2020 年全球电池片产能和产量分别为 249.40GW 和 163.40GW,中国占全球的比例分别为 80.7% 和 82.5%。

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中国电池片产能持续增长,新建产能以PERC为主。

根据中国光伏协会数据,2021年我国电池片产量为198GW,同比增长 46.9%,2012~2021 年复合增速为 28.3%。2021 年我国电池片产能为 350GW,同比增长 59.09%, 由此测算产能利用率约为 56.6%,相对于 2020 年的 61.3%略有下滑。从技术路线上看,2020 年新建产能中 PERC 电池片占 86.4%,其他技术路线电池片产能扩充进展相对较缓。

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2021 年大尺寸电池片出货占比大幅增长。

根据 PV Infolink 统计数据,2021 年下半年 G1(158.75mm)份额迅 速下滑,全年占比只有 10%,M6(166mm)全年出货占比为 32%。21 年三季度中国出现限电限产的情况,导 致部分厂家转而生产 M10(182mm)与 G12(210mm)尺寸电池片,M10(182mm)与 G12(210mm)尺寸电池片全年出货比重约为 53%,并且其下半年出货占比为 67%,远高于上半年的 38%。

行业集中度逐渐提升,但行业竞争加剧。

根据华经产业研究院数据,2021 年我国电池片行业 CR5 为 53.9%, CR5 平均产量超过 21GW,同比增长 67.2%,国内产量 5GW 以上的企业为 11 家。从集中度来看,近年来 CR5 集中度逐渐提升,2021 年略有放缓,集中度相对于组件、硅片等环节较低。

2021 年行业上游出现涨价,据 PVInfoLink 统计,2021 年底 166mm、182mm、210mm 主流尺寸硅片均价较年初分别上涨 55%、46%、46%,而相应尺寸的电池均价仅分别上涨 22%,19%,16%,行业盈利能力下降。同时下游组件等企业的新电池片产能在下半年逐步释放,叠加单晶 PERC 产能过剩,专业电池片生产商发展空间受到挤压,利润端存在压力。

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根据 PV Infolink 统计数据,2021 年全球前五大电池片制造商为通威、爱旭、润阳、中宇和潞安,与 2020 年相比,中宇和潞安的排名出现对调,行业前三比较稳定。

2021 年通威股份高纯度晶硅产量全球第一,国内市占率 22%,电池出货量连续 5 年全球第一,预计 2023 年通威股份高纯晶硅产能将达到 35 万吨,电池产能将达到 80-100GW,继续引领行业发展。除去电池片专业制造商以外,隆基股份、天合光能、晶澳科技、晶科能源等组件生产商在光伏产业链多个环节进行布局,也具有电池片产能,但主要以自用为主,对外销售较少。(报告来源:远瞻智库)

3、光伏电池片为降本关键,行业技术快速迭代

3.1 降本增效黄金法则下,电池片技术尤为重要

光伏电池片是降低光伏发电成本的关键部件。光伏发电成本的下降取决于光伏电站成本的下降,目前的光伏电站成本主要由光伏电站建设成本和运维成本构成,由于光伏发电不消耗燃料,因此运维成本较低。

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电站建设成本由非技术成本、关键设备成本、建安费用和组件成本构成,其中组件成本占 46%左右,非技术成本约 14%,关键设备成本和建安费用合计占 40%。电池片是决定组件效率和成本的核心器件,对于光伏发电成本的下降具有关键性的作用。

光伏电池片的技术发展主要有两个方向:

一是提升太阳光吸收率,即通过降低电池片表面对光的反射,把更多太阳光留在电池片内部,提高对太阳光的利用率;二是促使光能尽可能多地转化为电能,并减少电池内部的电能损耗,使得电池输出尽可能多的电流。

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为降低制造成本,电池片厂商围绕降低原材料、人工、制造费用三个维度进行综合降本。

一是降低采购单价,提高生产设备以及银浆等非硅材料的国产化率;二是降低制造费用,包括减少材料耗用,以及提升产能利用率、扩大电池片尺寸,从而有效摊薄人工、设备折旧及动力耗用等支出。硅基光伏电池以衬底材料进行分类可以分成 P 型电池和 N 型电池。

P 型电池指的是以 P 型硅片为衬底的电池片,N 型电池指 N 型硅片为衬底的电池片。

在 p 型半导体材料上扩散硼元素,形成 n /p 型结构的太阳电池即为 P 型 硅片,P 型硅中没有自由电子。

在 N 型半导体材料上注入磷元素,形成 p /n 型结构的太阳电池即为 N 型硅片。目前光伏行业主流产品是 P 型硅片,P 型硅片制作工艺简单,成本较低,而 N 型硅片通常少子寿命较大,电池效率可以做得更高,但是工艺更加复杂。

N 型硅片掺磷元素,磷与硅相溶性差,拉棒时磷分布不均,而 P 型硅 片掺硼元素,硼与硅分凝系数相当,分散均匀度容易控制,成本也就更低。

目前比较典型的 P 型电池包括 BSF 电池、PERC 电池、PERC+电池等,典型的 P 型电池包括 TOPcon 电池、HJT 电池、IBC 电池等。

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对光电转换效率的追求,促使电池片技术快速迭代。

早期的光伏发电技术以 BSF 电池为主,随后 PERC 电池技 术开始取代 BSF 技术,PERC 电池技术经过优化形成了 PERC+技术,以及现在正在快速发展的 TOPCON 技术。除此以外,HJT、IBC、碳化钙电池技术等也在不断研究发展,未来电池技术仍将不断演绎。

N 型电池技术即将站上舞台。

N 型技术包括 HJT、TOPCon、背接触等,目前硅料、硅片、电池、组件、光伏设备、光伏辅料等相关企业均不断推出新产品和技术,电池环节企业已经有多家企业宣布开始投资布局,未来 2~3 年内 N 型电池技术或将呈现百花齐放的态势,竞争也将更加激烈。

根据《中国光伏产业发展路线图(2021 版)》预测,N 型单晶硅片的市场占比将从 2021 年的 4.1%迅速增长到 2025 年的 25%,到 2030 年 N 型单晶硅片的 市场占比将接近 50%。

据北极星太阳能光伏不完全统计,2020 年以来共有 87 家企业跨行业进入光伏领域,其中,65 家企业进入光伏下游发电领域,22 家企业进入光伏制造端。

随着电池技术的快速迭代,太阳能电池的平均光电转换效率也逐渐提升。

根据中国光伏产业协会数据,2021 年 PERC P 型单晶电池平均转化效率为 23.1%,TOPCON 单晶电池平均转化效率为 24%,异质结电池平均转化效率为 24.2%,IBC 电池平均转化效率为 24.1%,预计 2025 年平均转化效率分别可以到达 23.7%、24.9%、25.3% 和 25.3%。

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3.2 PERC 电池技术与设备

PERC(Passivated Emitter and rear cell)电池是指发射极钝化背面接触电池,PERC 电池在传统 BSF 电池 的基础上只需增加背面钝化以及激光开工两道工艺,而性能可以实现明显提升,因此近年来发展极为迅速。PERC 电池以单晶为主。

澳大利亚新南威尔大学早在 1989 年便已提出 PERC 电池结构,其实验室效率为 22.8%。

2019 年 4 月 8 日,比利时的技术研究机构 IMEC 与 Jolywood 合作开发的 n-PERC(钝化发射极和后部完全扩散)太阳能电池的前段转换效率达到了 23.2%,其商业化转化效率为 21.5%左右,并且 PERL(发射极钝化背场局部扩散)技术开始受到关注,目前 PERC 电池技术以及优化的 PERC+SE 技术是行业的主流制造技术。

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BSF 电池是一种典型的 P 型电池。

BSF 电池在晶硅光伏电池 PN 结制造完成后,通过在硅片的背光面沉积一层铝膜,制备 P+层,从而形成铝背场。BSF 以 P 型硅片为衬底,是 P 型电池的一种。

铝作为背电场有诸多好处,如减小表面符合率和增加对长波的吸收等,但铝背场电池的光电转换效率有一定的局限性。

从工序上来讲,BSF 电池的制备要经过清洗制绒、扩散制结、刻蚀去磷硅玻璃、PECVD、丝网印刷、烧结、测试分选等环节。

BSF 电池的工序为光伏电池片制备的一般工序,PERC 电池和 TOPCon 电池的工序都以 BSF 电池的工序步骤为基础进行改进。

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与 BSF 电池相比,PERC 电池在结构上的主要改变是增加了 Al2O3 钝化层和 SiNx覆盖层,从而在电池背后形成了钝化面,提升了对长波光的吸收率并且延长少子寿命。

Al2O3 具备较高的电荷密度,会对 P 型硅形成场致钝化,显著降低硅表面的表面态,使得背面的少子复合速率降低,SiNx 覆盖层不仅可以提高电池对于长波的吸收,还能对 Al2O3 钝化层起到一定的保护作用。

因此,PERC 电池相对于常规 BSF 太阳能电池的工艺步骤上的多了两道核心工艺,分别为:(1)背面镀 Al2O3 和 SiNx(2)背面激光开槽,其余工艺步骤均与常规太阳能电池产线大体相同,而在制绒环节还需要增长背面抛光工艺。

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PERC 电池技术可以有效解决薄片化带来的量子效率降低,以及传统铝背场复合较高的问题。没有光照时,载流子称为热平衡载流子,“电子-空穴”对在不断产生也在不断复合,产生率等于复合率;有光照时,会激发出更多的“电子-空穴”对,多出来的“电子-空穴”对叫做非平衡载流子,非平衡载流子在复合前的平均时间称为“寿命”。

少子寿命(少数载流子寿命)是光伏电池的重要参数之一,显著影响着电池的光电转化效率。随着硅片的厚度逐渐减小,太阳光穿透硅片的几率也在提升,会导致传统 BSF 电池的长波响应降低;同时如果 BSF 电池的铝掺杂浓度较大,其少子寿命会极速减少,影响光电转化效率。

电池片制造需要多种的机械设备配套。

PERC 电池片的主要工艺流程为硅片的清洗制绒、扩散制 PN 结、激光掺杂制备 SE、背面钝化、激光开孔/开槽、丝网印刷、烧结、测试等,对应核心设备包括清洗机、制绒机、扩散炉、激光消融机、刻蚀机、PECVD、丝网印刷设备、烧结炉、测试分选机等。如果增加背面抛光工艺,则还需要槽式清洗机。

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3.3 其他先进电池技术简述

基于产业对高效率电池的追求,目前 N 型电池与钙钛矿等技术正持续取得突破。目前 PERC 电池占据主流,但是 N 型电池技术也快速发展,N 型电池技术的光电转换效率更高,不过技术难度也更高,技术成熟度相对较低。

目前 N 型电池主要有三种:

(1)背发射极电池,典型代表为 IBC 电池。

(2)异质结电池,这种电池是一种 基于 N 型单晶硅和非晶硅两种材料构成半导体器件,需要在氢化的非晶硅之间增加一层非掺杂氢化非晶硅薄膜,典型电池包括 HJT 电池、HBC 电池。

(3)前发射极电池,这种电池的特点是前端硼扩散发射极、磷扩散背表面场、正面或背面电极接触,典型电池包括发射极钝化背部完全扩散(N-PERT)电池、发射极钝化背部局域扩散 (N-PERL)电池、TOPcon 电池。

目前 TOPCON 和 HJT 为 N 型电池的主要技术路线,目前产业已经开始扩产。而 IBC、HBC 等 N 型技术路线以及钙钛矿等非晶硅技术也在不断研发,被称为“未来技术”,目前主要处于实验和验证阶段。

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(1)TOPcon 电池技术

TOPCON(超薄隧穿氧化层钝化接触)是一种新型钝化接触技术,转化效率更高。TOPCON 技术使用一层超薄的氧化层和掺杂的薄膜硅进行钝化,超薄氧化硅减少了表面态,保持了较低的隧穿电阻,掺杂薄膜硅提供了场致钝化并对载流子选择性透过,与硅基底形成良好的钝化接触。

在 2013 年的第 28 届欧洲 PVSEC 光伏大会上,德国 Fraunhofer 太阳能研究所首次提出一种新型钝化接触太阳电池,称为隧穿氧化层钝化接触 (TOPCon) 电 池。与 PERC 及 PERL 电池结构相比,TOPCon 电池结构可对电池表面实现完美钝化,由于 TOPCON 电池结构具有高质量表面钝化(低复合电流密度) 的异质结表面场,避免了金属电极与硅片直接接触所造成的接触区复合,因此其转换效率比较高,其理论极限可以达到 26.6%。

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与 PERC 电池相比,TOPCon 工艺增加了硼扩散与接触钝化层( SiOx /非晶硅膜) 沉积两个环节。当前主流的TOPCon 技术由清洗制绒、硼扩散、湿法刻蚀、SiOx /非晶硅膜沉积、P 扩散/高温晶化、正面 AlOx /SiNx 沉积、背面 SiNx 沉积、丝印烧结等工序组成。

TOPCon 电池首先会在电池背面制备一层超薄隧穿氧化硅(1~2 nm),然后再沉积一层 20 nm 厚的磷掺杂非晶硅层,经过 800 °C 高温退火后形成掺杂多晶硅,二者共同形成了钝化接触结构,为硅片的背面提供了良好的表面钝化。

其中涉及到 TOPcon 工艺的技术主要有三种: LPCVD 制备多晶硅膜结合传统的全扩散工艺、LPCVD 制备多晶硅膜结合扩硼及离子注入磷工艺,PECVD 制备多晶硅膜并原位掺杂工艺,其中 LPCVD 工艺最为成熟,成为目前市场主流。

而 PECVD 制备 TOPCon 电池的多晶硅层可以有效减少工艺流程,有望大幅降低成本,也是重要的技术方向。

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(2) HJT 电池技术

HJT 电池也叫做异质结电池, HJT 电池是一种利用晶体硅基板和非晶体硅薄膜制成的混合型太阳能电池。HJT 电池的结构由 n 型单晶衬底、光照侧 p-i 型氢化非晶硅层(膜厚 5~10nm) 、背面侧 i-n 型氢化非晶硅层(膜厚 5~10nm)以及两侧透明电极和集电极构成具有对称结构,是一种双面电池。双面电池还包括 PERC 双面电池和 n 型 PERT 双面电池。

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HJT 电池制备流程更为简洁,但工艺难度较高。

HJT 制备的工艺主要为清洗制绒、非晶硅沉积、TCO 膜制备和丝网印刷,相比于 PERC 电池和 TOPCon 电池,HJT 的工艺流程大大缩短。工艺流程的缩短有助于 HJT 电池缩短生产时间,提高生产效率,推动 HJT 的产业化发展进程。非晶硅沉积和 TCO 膜制备是 HJT 电池的两个关键工艺。并且均有两种制备方式。

非晶硅沉积采用的方法是 PECVD(等离子增强化学气相沉积)或 CAT-CVD(热丝化学气相沉积),CAT-CVD 相比于 PECVD 成膜质量高,对硅片钝化效果好,但其均匀性较差且维护成本较高。

TCO 膜制备所用的方法是 PVD(物理化学气相沉积)或 RPD(反应等离子体沉积)。RPD 工艺的靶材是 IWO(氧化铟掺钨),制备出的透明导电薄膜称为 IWO 透明导电薄膜;PVD 工艺的靶材是 ITO(氧化铟锡),制备出的透明导电薄膜称为 ITO 透明导电薄膜。

RPD 技术的装备产能低,售价高,目前专利在日本住友手中,有专利保护,PVD 工业更有希望成为主流工艺。虽然 hJT 电池的工艺较少,但其工艺难度较大,HJT 电池要求的表面钝化水平越高,工艺控制的严格程度就越高。

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(3) IBC 电池技术

IBC(Interdigitated back contact)电池也叫交指式背接触电池,是高效大面积太阳能电池之一。背接触电池包括 MWT、EWT 和 IBC 电池,MWT 和 EWT 电池的转换效率受到一定限制,IBC 电池的理论转化效率更高。

IBC 电池的正面无金属栅线,发射极和背场以及对应的正负金属电极呈叉指状集成在电池的背面,这种结构可以完全避免前表面栅线的遮挡损失,有效增加了前表面的发电面积,同时背面可以使用较宽的金属栅线来降低串联电阻,在一定程度上提高了填充因子,最终达到提升效率的目的。

由于 IBC 电池前表面收集的载流子要穿过衬底远距离扩散到背面电极,所以主流的量产 IBC 电池一般采用少子寿命更高的 n 型单晶硅衬底,是一种典型的 N 型电池。

IBC 电池根据前表面掺杂类型的不同,可形成前表面浮动结 IBC 电池(FFE, front floating emitter)和前表面场 IBC 电池(FSF, front surface field)。

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IBC 电池有三个明显的特点:

(1)与 PERC、PERT 和 HJT 电池比较,该电池前表面无栅线,正、负电极采用交叉排列的方式被制备在电池背面,避免了常规电池正面栅线约 5%左右的遮光损失;

(2)背面利用扩散法做成 p+ 和 n+交错间隔的交叉式电极接触高掺杂区,通过在介质化膜上开孔,实现了金属电极与发射区或基区的点接触连接,降低了光生载流子的背表面复合速率;

(3)由于背接触结构,IBC 电池的串联电阻低于传统电池,具有较高的填充因子。

IBC 电池还可以与 HJT 电池技术融合,也就是 HJBC/HBC 电池技术。2014年,日本 Sharp 和 Panasonic 公司分别将 IBC 与HJT技术结合,研发的HJBC 电池效率分别达到了25.1%和 25.6%。

2016年9月,日本 KANEKA 公司与NEDO研究机构发表联合声明,在面积为180 cm2的硅衬底上实现了转换效率达26.33%的晶硅太阳电池,创下了世界纪录。

KANEKA与NEDO将108片HJBC电池封装成组件,通过特殊的配线、高吸光效率等设计,组件的转换效率达到24.37%,超过了SunPower公司创下的24.1%的效率纪录。

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