开源证券:创新驱动未来 异质结引领光伏技术发展

2020-09-24

原标题 光伏行业深度系列报告(一):创新驱动未来,异质结引领光伏技术发展【开源新能源】

来源 开源证券

核心观点

技术特点决定异质结或是光伏产业未来发展的主方向,降本将推动量产落地

异质结的高潜力和高性能决定了未来光伏技术地位,各环节成本降低将推动异质结电池技术更快量产落地。异质结电池实验室最高效率已达26.7%,国内企业中试量产效率已接近24%(2019年底主流PERC电池效率为22.5%),并且异质结电池量产效率还在进一步提升。异质结电池技术降本路线清晰,设备方面国产化后单位GW设备投资有望从10亿元左右下降到6亿元甚至更低,同时辅材银浆、靶材等方面也具有很大降本空间。从产品方面异质结相对于PERC在转换效率和光衰减方面具有优势,因此享有一定溢价。所以随着成本降低,产业有望逐步进入渗透率快速提升临界点。

高效率、低衰减、低温度系数是异质结电池的独特优势

异质结电池的产品特点主要体现在高效率、低衰减、低温度系数。转换效率方面目前试验数据相对于PERC可以提升约1.5pct。同时由于不存在硼氧复合对,异质结几乎不存在光致衰减问题。在温度系数方面,异质结电池温度系数仅为-0.25%,为常规单晶电池一半。光伏组件的使用时间长达20-25年,异质结电池的优势将通过组件寿命进一步放大。转换效率提升可以制造更大功率的组件,而大功率组件可以有效降低BOS成本,并摊薄电站的单位建设成本。在新的组件设计理念与大尺寸硅片应用的背景下,当采用异质结电池替代PERC电池时,组件功率将进一步放大,异质结电池在效率等方面的优势会被进一步放大。而低衰减特性使得异质结电池在全生命周期内可以生产更多的电量,由此摊薄LCOE成本。

异质结在设备及核心工艺方面均有成本降低的空间

异质结电池工艺为清洗制绒、非晶硅薄膜沉积、TCO薄膜沉积以及丝网印刷,核心是非晶硅薄膜沉积与TCO薄膜沉积。在清洗制绒环节,新型的臭氧法不仅溶剂的消耗更少,最终的电池效率也会提升。在非晶硅薄膜沉积方面,设备的国产化将大幅降低生产成本。TCO薄膜沉积方面,设备、靶材国产化都将助力异质结生产成本降低。在丝网印刷方面,多主栅技术可有效降低银浆消耗,银浆的国产化则可进一步降低银浆价格,从而降低生产成本。

产业即将达到渗透率快速提升临界点,各企业纷纷加码投资异质结

随着异质结成本逐步降低,产业有望逐步达到渗透率快速提升临界点。从2019年开始,各企业对于异质结电池的研发及投资明显加速。据我们从公司公告中整理得到的消息,2019年开始,电池环节规划产能达到16GW以上,其中既有通威股份、东方日升、爱康等传统光伏企业,也有山煤国际等新进企业。在设备方面,捷佳伟创、迈为股份、金辰股份等企业也积极投入设备研发工作。银浆等耗材的国产化工作也取得了一定进展。异质结电池越来越具有量产的产业条件。受益标的为捷佳伟创、迈为股份、通威股份、东方日升、山煤国际。

正文内容

1、 HIT具有高性能高潜力,或是下一代主流光伏电池技术

1.1、异质结电池技术高速发展,量产效率领先,更具产业化优势

光伏行业不断发展,每次重大技术更迭都蕴藏新的机会。我国光伏行业经过10余年的发展,成本不断下降,从依赖补贴成长逐步进入平价时代。成本下降的背后是不同技术路线的竞争与更迭。复盘光伏行业成长历史,我们可以发现无论是晶硅路线取代薄膜路线成为主流,还是单晶硅片取代多晶硅片成为主流,最重要的原因是新技术的成本快速下降、性价比的快速提升。技术路线更迭的同时,主张不同技术路线的企业也面临着不同命运,引领新技术的企业成为新的光伏行业龙头。异质结技术过去由于设备昂贵等原因性价比不高未能成为主流的电池技术,但近年来在国内光伏企业和设备企业的共同努力下,异质结电池的成本不断下降、效率稳步提升,性价比进一步提升。我们认为异质结电池技术目前正处于大规模应用的前夜。

PERC电池进入成熟期,异质结电池处于导入期与成长期的临界区域。S型增长曲线最初是生物学中描述生物种群从发展到衰退的过程,后来经济学的研究者们发现行业中新技术的发展也符合这一增长曲线。在导入量产前,会有大量和长期的基础研究和实验研究。经过长时间的技术积累、设备研发,企业界开始尝试应用新技术,但最初由于设备依旧处于优化期、产业人士缺乏等原因,新技术的应用推广十分缓慢,这便是导入期。当新技术生产的产品性价比超越原来的主流产品时,新技术会进入快速推广阶段,也就是成长期。新技术的发展有其一定瓶颈,这一时期也称之为成熟期。任何技术都不可避免地被更优的新技术取代,最后进入衰退期。从PERC技术取代BSF电池技术就符合这一增长规律。目前,PERC技术虽然还有提升空间,但是瓶颈也开始显现,其正进入成熟期。与此同时,异质结技术经历了长期的基础理论与实验研究,近年来也有不少企业开始量产化的准备,其量产效率和性价比越来越高。我们认为异质结技术很可能正处于导入期和成长期的临界区域,未来成长可期。

近年来异质结转换效率突飞猛进,逐步成为光伏行业关注焦点。异质结电池技术最早于1974年由三洋提出,1990年三洋将本征非晶硅以薄膜形态呈现在异质结电池中,并将电池效率提升至15%。以美国NERL的光伏电池实验室的转换效率数据作为参照口径,近20年来,单晶硅电池最高效率提升缓慢,而异质结电池最高效率在快速提高,并在2013年超越单晶硅电池,2016年纯异质结电池的最高效率已达到26.7%,早已超过单晶硅电池最高效率。

更高的效率以及较少的工序使得异质结未来更加适合产业化。目前的主流电池技术中,PERC技术与传统BSF技术相比仅增加了氧化铝背钝化和激光开槽两道工艺,即利用场钝化削弱了BSF背面直接与Si接触带来的载流子复合严重的问题,Voc(开路电压)的极限从685mV提升为690mV,效率提升1%以上,而增加的投资在1-2亿元/GW,性价比的提升是PERC成为当前主流技术的重要原因。但PERC电池背钝化的Al2O3/SiNx均为介质绝缘膜,需要激光开孔,载流子需要二维运输才能被金属电极收集,这样的工艺造成了横向电阻输运损耗,Voc难以突破700mV,这也导致了电池效率难以有更高的突破。HIT则使用非晶硅薄膜作为钝化材料,实现载流子的一维运输,同时减少了少子向金属接触区域迁移导致的复合损失,Voc可提升至730mV,电池效率提升空间更大。同时,异质结电池与IBC电池相比,成本相对更低、工序极其简单、设备成本相对更低,在当前环境下更具备产业化的优势。

技术原理决定更广阔的效率提升空间。由于异质结电池采用薄膜沉积工艺,未来还有同IBC电池和钙钛矿电池结合的可能,目前看来最高效率可逼近晶硅理论上最高光电转换效率29%,效率提升路径比较明确。效率是光伏电池性能最重要的部分之一,更高的效率天花板和更明确的效率提升路径决定了异质结电池是未来的重要方向。在高效电池中,异质结成本相对较低且降本路径更明确,无衰减以及低温度系数等优越特性更是使在其在可预见的未来十分有可能成为主流电池技术。

1.2、异质结电池工艺流程简洁,拥有更高开路电压

异质结的工艺流程更为简洁,独特工艺是非晶硅薄膜沉积和TCO膜沉积。异质结电池全称为本征薄膜异质结电池(Heterojunction with Intrinsic Thin-layer),又称HIT、HJT或SHJ电池。其工艺流程十分简洁,主要是清洗制绒、非晶硅薄膜沉积、TCO膜沉积以及丝网印刷四道工序。与需要10余项流程的PERC+以及TOPCon相比,HJT工艺流程相当简洁。而且其中清洗制绒和丝网印刷都是传统硅晶电池的工艺,HJT独特的工艺在于非晶硅薄膜沉积以及TCO膜沉积。

从电池从技术原理来看,HIT拥有更低的载流子复合速率和更低的接触阻抗造就了更高的开路电压。获得更高开路电压的两个重要条件是避免少数载流子与多数载流子发生复合,同时还要降低电阻促进多数载流子更有效运输。PERC技术由于其不可避免的开槽工艺造成了多子横向输运损耗,同时在开槽处金属极与Si局域接触仍然有较高的复合。而ITO薄膜(氧化铟锡薄膜,TCO薄膜中性能最好的材料)的特性是载流子复合速率高,但其接触电阻率低,而非晶硅薄膜(a-Si:H)的特性是载流子复合速率低,但接触电阻率高。

异质结电池中薄膜沉积的顺序是非晶硅薄膜偏中间而ITO在最外层,这一顺序决定了异质结电池完美地结合了两者的优点。具体而言,非晶硅薄膜在偏中间位置,当光照到电池内时,光生伏特效应下产生了电子-空穴对,在P-N结内建电场的作用下,电子向N区定向移动,空穴则向P区。以P区为例,这个过程中,在P区靠近内建电场处,由于本征激发的电子(P区的少子)受内建电场作用可能往N区移动,P区的电子和来自向P区定向移动的空穴就可能互相靠近发生复合。在异质结电池中,可能发生复合的区域则沉积了非晶硅薄膜(a-Si:H),低载流子复合率的优势就发挥出来了,同时由于在内部并没有与金属极接触,高接触电阻的劣势并没有显现。光生伏特产生的电流导出到金属电极则经过ITO薄膜,此时ITO的低接触电阻优势发挥出来。因此,异质结电池拥有更高的转化效率。

1.3、 低温度系数、无光衰为异质结电池带来长期发电优势

功率温度系数和光衰问题是电池的重大问题。光伏电池的开路电压对转化效率有重要影响,在实际使用过程中,电池的效率不会一直保持最佳状态。两个重要的因素是功率温度系数和光衰的问题。光伏组件在夏天的发电量更低就是因为功率温度系数为负,而光伏组件的光衰问题则会导致每年发电量的递减问题。夏季光伏组件表面可达到60℃与标准环境相差35℃,而组件的预期寿命长达25年,因此这两个参数的差异在长期中将会放大,对光伏电站的收益将产生影响。根据梅耶博格的测算,即使电池效率同为22%,异质结电池相比PERC电池的发电量也可高出12%。

功率温度系数更低带来更多发电增益。通常情况下,电池片温度每升高1℃,常规单晶电池的温度系数为-0.42%,PERC电池-0.37%,PERC有所改善但幅度并不大。异质结电池的温度系数仅为-0.25%。异质结电池本身的效率就更高,功率更高,而因高温的功率损失却更低,优势更为突出。当考虑到光伏组件全生命周期时,发电增益的优势更为明显。

异质结电池采用N型硅片无衰减问题。硅原子的价电子个位数为4,当掺杂价电子个数为5的杂质元素(磷)时形成N型硅片,当掺杂价电子个数为3的杂质元素(硼、镓)时形成P型硅片。PERC电池采用P型硅片,传统工艺为掺硼形成,新工艺为掺镓形成。掺硼的工艺会导致形成硼氧复合体BO-LID进而引起光衰现象,甚至PERC单晶电池的首年衰减比光电转化效率相对较低的多晶电池还高出0.5%。而由于N型硅片掺磷,不存在硼氧复合体,由此导致的光衰几乎可以忽略。

1.4、 大硅片时代异质结电池效率的优势将在组件端进一步放大

大硅片时代将在组件端放大异质结电池效率的优势。2019年6月隆基股份发布了M6(166mm)硅片,2019年8月中环股份发布了M12(210mm)硅片,新一轮的硅片规格标准的变化启动。2020年6月隆基股份、晶澳科技、晶科能源等企业成立182联盟,致力于推动182mm硅片的量产化应用,有助于大组件的量产。2020年7月16日,天合光能发布了最新一版的至尊组件,组件采用210硅片制成的PERC电池,版型为6*10,同时采用了半片低温无损切割、多主栅以及高密度装封等技术,功率可达600W。其中低温无损切割技术和多主栅技术的推广应用都将有助于未来异质结电池的应用。此次天合光能的至尊组件在功率上能达到600W的新记录主要是由于210硅片以及一系列组件端的新技术造就的,其所使用的电池片依旧是目前主流的PERC电池片。值得注意的是,组件的功率等于组件中有效的电池片面积、太阳辐射强度以及电池效率之积。因此未来将异质结电池替代PERC电池时将造就更大功率的组件,从而为终端投资者带来更低的单瓦成本和度电成本。

2、 工艺优化路径明确,设备、耗材国产化为量产做准备

薄膜沉积是异质结工艺的核心。异质结电池制造工艺主要是清洗制绒、非晶硅薄膜沉积、TCO薄膜沉积和丝网印刷,其中核心工艺是非晶硅薄膜沉积和TCO薄膜沉积。由于高温易使杂质扩散而影响非晶硅薄膜质量,从而影响钝化效果,异质结电池制造过程采用低温工艺,一般电池制造可能高达800℃,而异质结电池制造一般不超过200℃。不仅仅是薄膜沉积是低温工艺,丝网印刷也采用低温银浆,这就保证了非晶硅薄膜的质量。

相对PERC工艺更为简洁和精密,并借鉴半导体工艺。就BSF电池以及在其基础上改进的PERC而言,其工艺流程步骤相对繁琐,但异质结电池的工艺仅四步。异质结电池更多地借鉴了半导体工艺,在清洗制绒阶段,使用半导体的RCA工艺。由于需要进行薄膜沉积,异质结电池工艺使用的PECVD和CVD也更为精密,更偏向半导体工艺。

2.1、 清洗制绒:从借鉴半导体RCA工艺到新型臭氧工艺

异质结电池对硅片表面清洁度要求更高,主流清洗工艺为RCA工艺,新兴工艺为臭氧清洗工艺。硅片经过前期的工序加工后,表面可能受到有机杂质、颗粒、金属离子等沾污,在制作电池的第一步都是对硅片进行清洗。同时为了增加对光的能量吸收以及提升钝化效果,在硅片表面腐蚀出金字塔形貌以作为陷光结构也非常重要。异质结电池要形成高钝化的a-Si:H/c-Si(n)界面,硅面表面清洁度要更高,因此相比BSF和PERC电池而言,异质结电池对清洗制绒的要求也会更高一些。

清洗主流工艺为RCA法。RCA法最早由美国Radio Corporation of America研发用于半导体晶圆清洗工艺,该工艺包含SC1和SC2两个步骤,分别使用NH4OH、H2O2和HCl、H2O2。由于NH4OH和H2O2本身的挥发性较强,而RCA工艺温度高于60℃更是加剧了其挥发,从而引起更高的清洗成本。以臭氧为基础的工艺则成为新的关注点,臭氧去离子水(DIO3)不仅可以更高效地去除有机杂质和金属杂质,同时减少化学品的消耗,而且不会产生含氮废水。根据德国Fraunhofer研究所,臭氧清洗的异质结电池转化效率比RCA最高可高出绝对值0.45%。臭氧清洗工艺已于2015年开始在异质结规模化生产中进行推广,但在国内的应用还不广泛。

2.2、 非晶硅薄膜沉积:主流的PECVD与性能优异的Cat-CVD

异质结电池制造工艺流程中非晶硅薄膜沉积的方法是化学气相沉积法(Chemical Vapor Deposition),主流方法是PECVD和Cat-CVD。化学气相沉积法(Chemical Vapor Deposition),是通过先将源气体分解成高能粒子,从而在气相和基体界面发生化学反应,反应物形成薄膜的方法。PECVD是等离子体增强化学的气相沉积法,这种方法具备基本温度低,沉积速度快,成膜质量好等优点。Cat-CVD 是催化化学气相沉积,全称为Catalytic CVD,因设备重要部件为Ta丝,又称热丝化学气相沉积(HWCVD),不同于传统CVD的新型化学气相沉积法。这两种工艺都涉及到先把源气体分解的步骤(在异质结电池中源气体为硅烷、乙硼烷和磷烷),PECVD方法使用源气体分子与电子之间的碰撞,即三维空间中各点之间的碰撞,而Cat-CVD方法使用气体分子与催化剂主体表面之间的接触。从这一角度来看,Cat-CVD方法的潜力比PECVD大得多。但Cat-CVD在其大规模生产应用中存在着催化剂表面逐渐变性问题以及原料气和催化剂种类组合等问题。目前Cat-CVD主要是日本企业在使用,而国际上的主流方法是PECVD。

Cat-CVD工艺沉积效果更佳,但设备运行成本还有待优化。由Cat-CVD工艺沉积的非晶硅/晶硅界面为0.6nm,仅为PECVD的1/3,对应的少子寿命也更长,钝化效果更好。这主要是由于Cat-CVD可更高效地分解H2,从而产生更高密度的氢原子对硅表面的悬挂键进行钝化,最终实现减少载流子复合,更好提升电池效率。此外,Cat-CVD对于源气体的利用率在80%以上,而PECVD目前仅为10%-20%,而且Cat-CVD理论上可在热丝两侧同时沉积,生产速度更快。Cat-CVD关键部件是Ta丝,长时间使用会出现老化问题,热丝表面开裂使其电阻率和表面状态发生变化。因此,Ta丝需要定期更换,更换周期小于一个月,这增加了Cat-CVD设备的运行成本。未来需不断改善工艺,延长热丝寿命。而当前非晶薄膜沉积的主流工艺还是PECVD。

国内企业积极开发异质结电池PECVD设备。PECVD设备涉及到真空、发射和沉积系统、气体监控和控制系统、电气系统以及外腔系统,制造工艺复杂,过去一直被海外企业垄断。国内企业近年来积极投入研发,虽然目前主要还处于机械加工、集成层面,真空棒、高压管以及气体分析仪等关键核心部件还需进口,但国产化的尝试和进展已经带来了较大成本降低。目前国际上能提供适合异质结制造低温工艺的PECVD设备供应商有瑞士的梅耶博格、瑞士的INDEOtec、美国的应用材料、韩国的Jusung。中国企业能提供异质结PECVD设备的有中国台湾的精耀科技、中国大陆的理想能源、中国大陆的钧石能源、中国大陆的捷造光电等企业。国内理想万里晖在2018年首批量产PECVD设备下线,价格比国外进口低30%以上,产品性能也不输国际一流设备。捷佳伟创也同爱康科技等电池厂商共同研发PECVD设备。迈为股份则为通威提供了相关设备,正处于验证阶段。

2.3、 TCO薄膜沉积:主流工艺为PVD,靶材还有改善空间

TCO薄膜要有较好的导电性和透光性。TCO薄膜存在的意义是在不影响光透射的情况下,以较小的接触电阻导出电流。这是由于非晶硅薄膜可有效降低载流子复合速率,但又存在相对较高的接触电阻导致的,在最外侧沉积透光的TCO薄膜则可结合两者的优势实现更高的开路电压和短路电流。因此,TCO薄膜需满足导电性和透光性好,同时为了保护非晶硅薄膜钝化效果还要采用低温工艺。

TCO薄膜沉积主流工艺主要有PVD和RPD。PVD (Physical Vapor Deposition) 即物理气相沉积,异质结电池TCO薄膜沉积工艺中指溅射镀膜,其基本原理是辉光放电产生的氩离子轰击阴极靶材,靶材被溅射出来而沉积到基板表面。RPD (Reactive plasma deposition)即反应等离子体沉积,是由日本住友公司开发的一种低温、低损伤TCO薄膜镀膜工艺。RPD设备可产生稳定均匀的等离子体,超过50eV的高能粒子极少,因此对基板的轰击刻蚀作用极低。RPD技术制备的TCO薄膜结构更加致密、结晶度更高、导电性和透光性更好。但目前住友公司对RPD核心设备具有垄断优势,其成本相对较高,因此目前主流还是PVD工艺。

掺杂物替代可改善ITO长波段寄生吸收,AZO材料替代可有效降低TCO成本。常见的TCO材料是ITO(氧化铟锡),即SnO2 掺杂的 In2O3,但其在长波段光谱存在寄生吸收的现象,这会影响载流子迁移率。当将掺杂物由SnO2替代为Zn、Ti、Zr、Mo 和 W 的氧化物以及与氢共掺杂时都能有效减少长波段寄生吸收,载流子迁移率可从30cm2/(V·s)提升至80 cm2/(V·s),最高甚至可提升到140 cm2/(V·s)。铟作为一种稀有金属,其储量有限且成本较高,从而造成ITO材料的成本较高。一种新的思路是用成本更低的AZO (ZnO:Al)替代背面的ITO。AZO的迁移率仅10 cm2/(V·s),导电性劣于ITO。由于电池背面的栅线更多,因此当使用AZO替代背面ITO时,对电池的成本降低较多,而对电池效率的影响相对较小。

PVD、RPD设备国产化进行中。PVD设备主要由真空形成系统、发射源和沉积系统、沉积环境控制系统、监控系统以及传统系统,目前国内企业在发射沉积以及传动系统已经取得一定突破,而控制和监控系统则受限于气体分析仪和光功率计等设备的国产能力不足。目前行业的PVD设备供应商有德国的冯阿登纳,瑞士的梅耶博格,德国的新格拉斯和中国的钧石能源、捷造光电、湖南红太阳等。国内捷佳伟创已获得住友公司RPD授权,正积极研发RPD相关设备。

2.4、 丝网印刷:低温银浆的减量工艺和国产化是趋势

低温银浆是异质结电池非硅成本中最重要的部分,占异质结电池总成本的24%左右,占非硅成本的46%左右。银浆成本占比高的原因是低温银浆的价格高且用量大。异质结电池的制作工艺一般不超过200℃,所使用的银浆为低温银浆,国内低温银浆正处于起步阶段,因此价格比常规电池和PERC使用的高温银浆要更高。在银浆用量方面,P型电池银浆使用量约为114.7mg/片,而异质结电池的银浆使用量目前高达300mg/片,消耗量是P型电池的近3倍。因此减少银浆的消耗量和低温银浆的国产化是降低异质结电池成本的两个重要方面。

多主栅技术渐成主流,可直接有效降低异质结电池银浆消耗。栅线的主要作用是收集电流并进行汇流,分为细栅线和主栅线。电池的正面栅线会遮挡一部分太阳光,越细的栅线遮挡越少,但同时也会造成更大的电阻,从而降低电池的填充因子,因此栅线设计需要平衡遮光和导电的关系。目前主流的主栅技术5BB技术(五主栅),市场占有率约为79%,未来的方向是向MBB(多主栅)发展。根据CPIA数据,9BB相比5BB电池片,银浆用量可下降25%。对于银浆消耗量大的异质结电池而言,多主栅具有更好的降本效果。此外,新的栅线设计方案对于降低银浆消耗和银替代也具有重要意义,梅耶博格研发的SWCT技术即可将单片银浆消耗降低到100mg/片。

国内企业近年来积极研发低温银浆。目前异质结电池制造企业使用的银浆主要是国外进口,价格在8000-10000元/kg。低温银浆的原材料主要是银粉、溶剂、树脂和添加剂。高温银浆在600-800℃可以达到熔融状态,但低温银浆的工艺温度在200℃以下,需要通过树脂结合到一起,因此低温银浆对银粉的质量要求很高。目前国内银粉质量还有待提高。一些国内企业看重异质结电池潜力,近年来正在积极研发低温银浆且取得了一定的进展,比如苏州的晶银和贺利氏。

3、 异质结高效率享产品溢价,长期降本空间清晰

3.1、 异质结相对PERC拥有一定溢价空间

异质结较高的发电效率以及低衰减特性使得在BOS成本和LCOE两端拥有溢价:

1)异质结电池拥有更高的发电效率和双面性。目前异质结发电效率相比PERC提升1%-1.5%,同时双面率可以达到95%以上,因此组件的综合功率可以较PERC做的更大。而大功率组件可以带来下游电站建设过程中和面积相关的BOS成本(例如土地、运输、安装、桩基、支架等)的摊薄。假设PERC组件功率为440W,异质结组件为470W,则根据我们测算可以带来支架、线缆、土地及安装费等BOS成本4.1分/W的降幅。。

2)异质结抗光衰的特性使得异质结组件在LCOE成本相对于PERC可以拥有较高的溢价。以目前异质结的技术水平,首年衰减0.5%,之后年均平均衰减为0.2-0.3%,根据我们测算,在保持LCOE同等水平下,异质结相比较PERC拥有0.25元/W溢价空间。综合以上,我们认为在目前技术水平下,异质结相比较PERC拥有约0.29元/W溢价空间。

3.2、 异质结电池降本路径清晰,设备、辅材皆有下降空间

3.2.1、 四大工艺环节:国产化为主要降本路径

1)清洗制绒环节。主流工艺为RCA法,臭氧+双氧水工艺在大批量生产验证后清洗效果较为稳定,并且在去除氨氮工艺后污水处理与化学品成本大大降低,是现在最佳的清洗工艺。目前HJT电池制绒添加剂成本还是较高,原因在于主要还是靠进口添加剂。但添加剂本身的成本非常低,目前国内相关厂家也在研究制绒添加剂并已有所突破,预计清洗制绒环节成本降幅可达80%以上。

2)非晶硅沉积。异质结电池制造工艺流程中非晶硅薄膜沉积的方法是化学气相沉积法(Chemical Vapor Deposition),主流方法是PECVD和Cat-CVD。非晶硅沉积主要考虑为薄膜均匀性、氢含量、光敏性,目前目前单片成本集中在0.03-0.05元,未来有望下降到0.01-0.02元。

3)TCO膜制备。现阶段TCO制备工艺主要为PVD直流磁控溅射工艺与RPD(反应等离子体沉积)工艺。目前采用PVD方式成膜的企业较多,主要是PVD设备较为成熟,价格便宜,同时设备较为稳定。同时PVD所使用的的靶材生产企业较多,基本不受专利限制,主要是ITO受制于日本住友专利。RPD正/背面均需要2个IWO/ICO靶材,进口靶材成本在0.6-0.7元/片,国产化后有望降到0.2-0.3元/片。

4)丝网印刷。低温银浆是HJT电池成本中占比较大的一部分,目前HJT电池银浆耗量大约是传统电池的五倍,因此降低低温银浆成本首先要降低银浆用量;另外,低温银浆本身用的浆料多,含银量也较高,所以成本更高一些,可与供应商共同开发新产品以降低成本。目前通过结合多主栅、叠瓦等技术降低银浆耗量,可以大幅降低低温银浆的成本,降幅大概在50%-70%之间。

3.2.2、 薄片化有望降低成本

无应力和低温工艺使得异质结电池更能接受硅片的薄化而不引起良率的下降,硅片可以做的更薄。更薄的PERC电池发生曲翘,不同厚度的PERC电池的各项参数对比,发现电池对长波部分的吸收随着其厚度的减小而降低,进而导致短路电流和转换效率的降低。在电池厚度小于110μm时,出现严重的翘曲及失效现象。由于异质结电池结构对称,加上电池工艺最高温度不超过200°C,其更易于实现在量产中使用薄化硅片。

根据我们测算,以目前薄片(180μm)和细线(50μm)技术水平,薄片和细线每降低5μm/2μm,在2019年基础上可降低公司硅片环节2.8pct/1.0pct成本降低。

3.2.3、 设备国产化进一步拉低成本

HJT电池产线主要的专用设备是CVD(化学气相沉积)设备和PVD设备。相关设备最初是为平板显示行业设计的,没有按照异质结这种特定的技术来优化和设计,所以可以联合设备厂家进行一些优化,技术难度并不大,如CVD设备沉积腔里都不需要变,只要将一些传输设备及机械进行优化,产能就可以翻倍,设备成本自然会摊薄;PVD设备更不需要进行大的改进,设备国产化后就可以大幅降低成本。

以东方日升2019年发布的2.5GW HIT电池项目设备投资为例,HIT电池产线设备投资额为10亿元/GW,其中清洗制绒设备占比8%,非晶硅薄膜沉积设备(采用PECVD)占比40%,正面和背面TCO沉积设备(采用RPD)占比28%,丝网印刷等后段设备合计占比26%。

优化工艺设计,缩短周期也可带来成本降低。除了设备的单纯制造产能外,降低资本支出的途径还包括以下几点:工艺反应器的平行化、PECVD和PVD的单个承载工艺、在线工艺和通过合理系统设计缩短工艺周期。例如,在INDEPtec的技术里,单个空腔承载允许硅片处在同一个承载上,前表面和背面a-Si:H可以同时进行沉积,即缩小了空间又能实现自动化。

4、 异质结处于大规模产业化前夜,降本增效是核心驱动力

4.1、 降本增效路径明确

异质结电池有比较明确的增效路径。影响电池效率的三个关键指标是开路电压、短路电流和填充因子。由于采用薄膜沉积工艺,作为衬底的N型硅片可以更薄的同时确保应力均匀,从而保证低的破碎率。更薄的硅片不仅意味着成本的更低,也意味着硅基和非晶硅薄膜界面的性能,从而获得开路电压更高。此外,提高清晰制绒质量、降低硅片表面损伤等也可以提高开路电压。在提升短路电流方面,可以通过金属银电极布局优化、TCO材料改进等方式。在提升填充因子方面,减少TCO材料电阻等方式可以减少有效电池串联电阻。

设备、靶材国产化,银浆用量减少,降本正当时。从过往的产线投资来看,每GW的投资在8亿元左右,如果采用纯进口设备投资额将高达10亿元/GW。在PERC和TOPCon的生产中,也会用到PECVD这一设备,但异质结电池制造过程中,非晶硅的钝化性能对温度敏感,所以HIT电池要求制备温度低于200 ℃,同时要求使用低温银浆,正是这一差异导致了设备研发的额外成本。随着近两年国内设备企业对核心设备PECVD和PVD的研发,异质结产线单GW投资成本已下降到6-7亿元水平,未来还可能进一步下降到4-5亿元/GW水平。除了设备问题,异质结电池非硅成本中,银浆成本占比达到了近50%。而采取将细栅宽度从60μm减少到40μm,将主栅工艺从五主栅改为九主栅,银浆的用量将减少30%,此外丝网印刷的分次和分步工艺也可减少银浆的用量。而大硅片和薄片化的推进也将进一步压缩异质结的成本,异质结的性价比优势将会逐步凸显。

4.2、 低温度系数、无光衰为异质结电池带来长期发电优势

异质结技术高天花板高性能,很早就获得行业内外的注意。光伏行业过去的经验表明,在新技术面前能够抓住机遇的先发企业往往能实现弯道超车。为了进一步提升电池效率,降低电池成本,不断获取竞争优势,寻找新一代的电池技术是光伏厂商的共同选择。此时,凭借高转化效率和出色性能表现,异质结电池早在2017年开始走进光伏行业的视野。根据光伏测试网的调研,2017年异质结公开产能为1GW,而由于多种因素,实际产量仅60MW,平均效率22.7%,虽然产量小,但22.7%的效率即使在2020年也可列入较高效率行列。

经历早期探索后,近期异质结投资持续加码。根据第二届非晶硅/晶体硅异质结论坛,2019年底实际运行的异质结产能已达到800MW,虽然有部分试验产能退出生产,但产能产量已有较大的突破,电池效率则在23.7%水平远超PERC电池。不同于IBC电池仅有黄河水电200MW产能,异质结电池已接近GW级别的产能,2020年异质结电池产能大概率超过1GW,因此2020年也被称为异质结产业化元年。近一年来,通威股份、山煤国际、爱康科技、东方日升等企业相继开始规划和导入,累计规划产能达到数十吉瓦。此外,隆基股份、爱旭科技等企业也在研发上对异质结技术进行跟踪准备布局。随着进一步的降本增效,异质结电池技术的大规模应用有望迎来快速增长。

5、 异质结技术受益标的

5.1、 捷佳伟创:电池片设备龙头,持续受益光伏产业技术发展

捷佳伟创积极布局异质结,关键设备进入工艺验证阶段。捷佳伟创在异质结各环节都有相应布局。通过同国际一流企业产品对标或者直接合作,在异质结电池相关设备上不断取得突破。在TCO薄膜沉积方面,捷佳伟创已取得日本住友公司RPD相关专利授权,在此基础上研发的RPD设备已进入工艺验证阶段。在清洗制绒方面,捷佳伟创研发的制绒设备已具量产能力,电性能可达国际一流企业YAC设备性能。

捷佳伟创在RPD国产化方面具有独特优势,一体机方案降本效果更明显。在异质结工艺所需设备中,TCO薄膜沉积设备的成本仅次于非晶硅薄膜沉积设备,因此TCO设备的降本增效对异质结电池降本增效具有重要意义。RPD设备的沉积效果更好,但是由于单台设备产能和仅能自下往上镀膜的原因,导致同等产能的异质结产线需要PRD设备数量是PVD数量的4倍,因此RPD设备成本高企。捷佳伟创在日本住友公司授权的基础上,开发了PRD和PVD一体的设备,综合了PRD的高质沉积特点和PVD可自上往下沉积的优点。预计PRD和PVD一体化设备单GW投资可降到国产PVD水平,即1.2亿元/GW左右,同时由于PRD比PVD的沉积效果更好,可以在同等成本下得到质量更优的电池。基于这种优势,捷佳伟创的一体化设备可能会更受电池厂的青睐尤其是在纯RPD设备成本不能有效降低,而纯PVD设备沉积效果不能进一步提升的情况下。

积极同下游电池企业合作推动异质结产业化。通威作为光伏电池环节的龙头企业之一,近年来在异质结电池上积极研发投产,在成都和合肥已建立三条产线,共计450MW产能。捷佳伟创的设备一直处于行业领先水平,因此通威一直是捷佳伟创的核心客户之一。在通威布局异质结的过程中,捷佳伟创也积极参与其中,为通威提供PECVD、RPD等核心设备。此外,捷佳伟创同爱康科技等其他致力于成为异质结先发企业的光伏电池企业也保持着紧密的合作。捷佳伟创从产业化初期就同下游建立了合作关系,与电池企业共同成长。未来异质结技术实现量产,捷佳伟创会充分受益于此。

5.2、 迈为股份:丝网印刷设备翘楚,多点开花成长加速

坚持自主创新,迈为积极投入异质结设备开发。迈为是国内太阳能电池丝网印刷设备的龙头企业,其自主研发的丝网印刷设备曾经打破国外以Baccini 为首的外国厂商,为光伏行业成本降低贡献了重要力量。与此同时迈为自身也充分享受了丝网印刷设备国产化的红利。在光伏电池技术升级的新节点上,迈为继续坚持着自主创新的道路,大力研发异质结关键设备,目前迈为公司生产的PECVD生产效率已达到6000片/小时,已超过国内外同行。在异质结产线成本上,迈为提供的产线仅5-6亿,远低于国外企业的8-10亿。

PECVD量产效率有保证,丝网印刷技术仍有进步空间。从提供给下游电池厂的PECVD设备实际运行情况来看,迈为提供的设备生产的异质结电池量产效率在23.5%,年底预计能突破24%。PECVD作为异质结设备价值量最大的环节,当异质结技术实现大规模产业化时,PECVD设备企业必将充分受益。丝网印刷技术关系到异质结银浆的使用量,对异质结电池成本具有重要的影响。目前而言,在丝网印刷技术上具有明显优势的是梅耶博格,其自主研发的SmartWire电池连接技术能将单个异质结电池组件耗银量减少50%以上,性能远超其他丝网印刷技术。但梅耶博格在6月底已发布公告,将自己生产异质结组件,相关技术和设备不再向外输出。丝网印刷技术是迈为的专长,如果将来能研发出同SmartWire一样甚至更为优异的电池连接技术,迈为将充分受益。

下游客户包含大部分光伏电池生产企业,同时积极同异质结先发企业共同成长。凭借在丝网印刷技术上的优势,迈为的下游客户包括了通威、隆基、东方日升、天合、晶科等大多数光伏电池企业,这样的稳定全面的客户网络关系在新技术推广时更具有优势。此外,在通威积极布局异质结过程中,迈为为通威合肥250WM异质结产线提供了整线设备。同捷佳伟创一样,迈为在异质结量产前就积极布局,不断创新,将在异质结电池大规模量产阶段充分获益。

5.3、 通威股份:硅料电池双环节龙头,积极布局异质结技术

未来三年通威将继续扩大多晶硅与太阳能电池片业务。通威股份以饲料起家,早在2011年企业饲料相关的营业收入就仅110亿元,全国市场占有率连续20年位居全国第一,称通威为饲料领域的龙头企业当之无愧。2015年,公司清楚地认识到通威虽然在饲料领域的业绩表现非常好,但饲料行业是传统行业,其远期的增长潜力远不及处于朝阳期的光伏行业。2015年,通威股份通过收购永祥股份开始进入光伏行业,并从此确立以光伏行业作为未来的战略方向。2019年,通威股份光伏相关的营业收入已经达到170亿元,占总营收的近一半。2020年2月11日,通威发布三年发展规划公告,宣布在未来三年拟投资年产30GW的高效太阳能电池及配套项目以及14-21万吨左右的硅料产能。电池扩建项目的一、二期将在两年内完成,采用的电池技术是目前主流的PERC技术,而在三、四期的技术很可能采用异质结技术。

通威积极布局异质结,降本增效稳步推进。通威在异质结电池方面的进展非常快。2018年5月通威同中科院、三峡签约。一年之后,2019年6月通威第一片异质结电池片下线。通威生产的异质结电池片效率在稳步提升,2020年1月,生产的电池片效率在23.36%左右(9BB工艺),目前则已提升到24%。公司已具有3条产线异质结产线,共计450MW产能。薄片化对异质结电池降本具有重要意义,目前主流的PERC电池所用硅片在180μm左右,而通威异质结电池量产时即直接使用150μm,未来有望进一步薄化到130μm。在产品验证方面,通威5BB产品全部通过外部IEC标准,这意味着在向下游销售异质结产品不存在技术性障碍。通威在异质结量产的过程中积极布局,稳步推进异质结降本增效,这对保持其在电池制造环节的龙头地位具有重要意义。

5.4、 山煤国际:煤炭企业转型发展,10GW异质结助力弯道超车

煤炭国企转型先锋,山煤国际进军光伏行业。山煤国际作为山西省国资委下体量相对较小的煤炭企业率先开启了转型之路,异质结电池则成了其进军光伏产业的突破口。因此在进入光伏行业前聘请了专业团队进行了前期的市场调研和可研论证。2019年7月,山煤国际对外发布公告,决定投资10GW异质结电池生产项目。

稳步推进10GW异质结电池项目。2020年8月,山煤国际异质结电池一期3GW通过山西国资委的严格审批,预计投资31.89亿元。由于目前主流的光伏电池技术还是PERC技术,异质结电池正处于量产化的前夜,山煤国际稳步推进异质结技术或将助力其成为最早量产异质结电池的转型企业,山煤国际或能在光伏电池技术领域实现弯道超车。

5.5、 东方日升:持续加码异质结,MBB助力异质结降低成本,结合BIPV前景更加广阔

持续加码异质结,2021年将实现异质结量产。早在2017年东方日升就开始布局异质结电池。2019年8月东方日升在浙江投资的2.5GW异质结项目开工建设,预期项目将在2021年达产。2020年年初一期建成落地,开始小批量发货,累计发货量已达50MW。在效率方面,东方日升中试线异质结最高效率已达24.2%,处于较为领先状态。2020年7月,东方日升再次加码异质结,拟投资5GW异质结电池与5GW异质结组件。

率先实现MBB技术,将助力异质结电池降低成本。异质结电池降低成本的途径除了设备和耗材的国产化替代,最重要的就是减少低温银浆的消耗,而MBB技术对减少丝网印刷中银浆消耗极为重要。东方日升在PERC电池中已经实现了MBB的量产,这无疑将为其在异质结电池量产中取得一定优势。除了MBB,东方日升在组件环节积累的其他技术,如半片、双玻技术等,也将保障异质结电池更好实现其效率优势。

东方日升设想中的异质结超大超薄,在BIPV中更具优势。大尺寸硅片的背景下,组件设计理念以及发生了改变,比如低电压大电流,这为实现更高功率和更低单瓦成本的组件奠定了基础。当电池片替换成异质结电池时,效率进一步提升时,单瓦成本更具优势。与此同时异质结的薄片化使其更具柔性,在贴合建筑时更具优势。

5.6、 受益标的盈利预测

6、 风险提示

新技术发展不及预期、疫情等导致需求低于预期、光伏市场竞争加剧。

来源:新浪财经综合