光伏設(shè)備行業(yè)研究：從原理端看光伏電池技術(shù)發(fā)展

光伏設(shè)備行業(yè)研究：從原理端看光伏電池技術(shù)發(fā)展1、“提效降本”貫穿光伏歷史發(fā)展，未來進(jìn)步仍有空間提效降本貫穿歷史發(fā)展，光伏發(fā)電進(jìn)入全面化市場階段。在光伏技術(shù)，規(guī)模經(jīng)濟(jì)，供應(yīng)鏈和項(xiàng)目開發(fā)流程不斷改善的推動(dòng)下，從2010年到2020年，規(guī)模以上太陽能光伏發(fā)電成本下降了85%。光伏組件平均功率由2010年的250-300W提升至2020年400-550W，預(yù)計(jì)到2030年有望提升至800-1200W。大型光伏電站的中標(biāo)電價(jià)不斷降低，2021年，沙特地區(qū)由于光照資源好，非系統(tǒng)成本低，其光伏電站中標(biāo)價(jià)格已經(jīng)低至1.04美分/kWh，中國最低中標(biāo)電價(jià)為2.3美分/kWh，已于2021年實(shí)現(xiàn)全面平價(jià)上網(wǎng)，光伏發(fā)電已經(jīng)全面擺脫補(bǔ)貼的限制，進(jìn)入全面市場化發(fā)展階段。光伏降本仍有空間，低成本是光伏成為全球主流能源的必要條件。未來光伏要想發(fā)展成為全球主流能源，必須擁有低成本競爭力。對比化石燃料、生物質(zhì)能、地?zé)崮?、水電、太陽能以及風(fēng)能等一次能源，過去十年，在精準(zhǔn)的政策扶持與產(chǎn)業(yè)規(guī)模效應(yīng)的帶動(dòng)下，風(fēng)電光伏發(fā)電成本顯著降低，可再生能源逐步成為電力系統(tǒng)的支柱。目前光伏發(fā)電的成本已經(jīng)與化石燃料成本區(qū)間（0.05-0.15美元/kWh）基本持平，而要想達(dá)到2050年光伏發(fā)電占比超過35%的目標(biāo)，光伏發(fā)電成本必須全面低于化石燃料發(fā)電成本。根據(jù)IRENA的預(yù)測，2030年光伏發(fā)電成本最低將達(dá)到0.02美元/kWh，2050年低至0.014美元/kWh，與當(dāng)前對比仍存在較大的降本空間。技術(shù)變革是光伏成本下降的最大驅(qū)動(dòng)力，是決定電池光電轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵因素。光伏產(chǎn)業(yè)鏈包含硅料、拉棒、硅片、電池及組件環(huán)節(jié)，過去十年間光伏效率提升顯著，這與光伏全產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)技術(shù)的共同進(jìn)步是分不開的，其中包括硅料環(huán)節(jié)改良西門子法，單晶拉棒環(huán)節(jié)的RCZ法，硅片環(huán)節(jié)的金剛線切割法，電池環(huán)節(jié)的PERC電池技術(shù)以及組件環(huán)節(jié)的多主柵技術(shù)等，而當(dāng)前技術(shù)進(jìn)步的腳步仍未停歇，顆粒硅、CCZ、新型電池等技術(shù)有望進(jìn)一步推動(dòng)行業(yè)降本增效。在光伏產(chǎn)業(yè)鏈眾多環(huán)節(jié)中，電池環(huán)節(jié)是技術(shù)進(jìn)步的核心。電池技術(shù)路線決定了光伏產(chǎn)品的效率極限。單晶PERC電池是光伏技術(shù)發(fā)展歷史上的重要轉(zhuǎn)折，為實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電平價(jià)上網(wǎng)做出了重要貢獻(xiàn)。隨著PERC電池量產(chǎn)效率的不斷提升，其當(dāng)前效率已經(jīng)達(dá)到23.5%，接近理論效率極限24.5%，行業(yè)亟需發(fā)展新一代電池技術(shù)，當(dāng)前新型電池技術(shù)百花齊放，TOPcon，HJT，P-IBC成為下一代新技術(shù)的有力競爭者。2、單晶取代多晶是前車之鑒，下一代新型技術(shù)風(fēng)起云涌2.1從光伏發(fā)電原理看新技術(shù)電池突破點(diǎn)“光生伏特”效應(yīng)是光伏發(fā)電的原理，它的發(fā)現(xiàn)使人類利用太陽能發(fā)電成為可能。1839年法國貝克勒爾做物理實(shí)驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)了“光生伏特效應(yīng)”。1954年，貝爾實(shí)驗(yàn)室研制成功第一個(gè)實(shí)用價(jià)值的硅太陽能電池，紐約時(shí)報(bào)把這一突破性的成果稱為“無限陽光為人類文明服務(wù)的一個(gè)新時(shí)代的開始”。“光生伏特”效應(yīng)指的是半導(dǎo)體在受到光照的條件下，光子能量激發(fā)價(jià)帶內(nèi)的束縛電子穿過禁帶到達(dá)導(dǎo)帶成為自由電子，并在價(jià)帶中留下空穴，形成為空穴電子對，從而改變了材料的載流子濃度。在有外電路接入的情況下，電子和空穴少數(shù)載流子在擴(kuò)散作用和PN結(jié)內(nèi)建電場的共同的作用下按照特定的方向移動(dòng)，從而產(chǎn)生電流。半導(dǎo)體材料的選擇是決定光伏電池效率的主要因素。半導(dǎo)體電池材料的禁帶寬度決定了其短路電流和開路電壓，其中短路電流隨著禁帶寬度的減小而增加，開路電壓隨著禁帶寬度的減小而降低，因此適用于光伏發(fā)電材料的禁帶寬度應(yīng)當(dāng)有一個(gè)合適的范圍，當(dāng)電池材料的禁帶寬度在1.1-1.6eV時(shí)，其理論光電轉(zhuǎn)換效率能夠達(dá)到29.43%。目前可用做光伏電池的材料主要是元素周期表中III-V主族材料，包括硅材料、砷化鎵、銅銦鎵硒，碲化鎘以及近年來發(fā)展比較快的有機(jī)化合物電池等。綜合各種材料的電學(xué)性能，安全性，資源豐富性，無毒無害性等各種因素，硅材料成為目前光伏行業(yè)中普遍使用的電池材料。光學(xué)損失和電學(xué)損失是影響光伏電池效率的兩大重要因素。盡管硅材料的理論電池效率能夠達(dá)到29.43%，但是目前在實(shí)驗(yàn)室中硅電池的最高轉(zhuǎn)化效率為26.3%，主要是受光學(xué)損失和電學(xué)損失的影響。光學(xué)損失產(chǎn)生的主要原因是材料表面的反射損失。包括組件玻璃的反射，電池前表面和背表面的反射，電池柵線的遮擋等等。目前減少光學(xué)損失的主要方法包括：（1）使用超白高透的壓延光伏玻璃。（2）通過減反膜降低反射率，例如玻璃減反膜，電池表面的氮化硅減反膜。（3）利用化學(xué)藥品對硅片表面進(jìn)行腐蝕，形成絨面，增加陷光作用。（4）增加電池柵線高寬比，減少柵線遮擋損失，例如使用多主柵以及IBC電池技術(shù)。電學(xué)損失產(chǎn)生的主要原因是半導(dǎo)體材料體內(nèi)及表面的復(fù)合。光子激發(fā)的空穴電子對只有在PN附近才會對光電轉(zhuǎn)換作出貢獻(xiàn)，在距離PN結(jié)太遠(yuǎn)處產(chǎn)生的載流子，很有可能在移動(dòng)到器件的電極之前就發(fā)生復(fù)合。半導(dǎo)體中復(fù)合率越低，開路電壓Voc越高，光電轉(zhuǎn)換效率就越高。隨著硅片質(zhì)量的不斷提高，低成本薄片化的進(jìn)程使得晶硅電池表面復(fù)合損失成為制約電池效率上限提升的關(guān)鍵因素。產(chǎn)生復(fù)合的主要原因首先跟材料本身的內(nèi)部缺陷以及雜質(zhì)等相關(guān)，例如單晶硅少子壽命要優(yōu)于多晶硅，N型要優(yōu)于P型；其次是由于高濃度的擴(kuò)散在電池前表面引入大量的復(fù)合中心，通過改變光伏電池的結(jié)構(gòu)，退火氫鈍化以及引入鈍化膜，隧穿膜等方式，可以有效延長半導(dǎo)體內(nèi)光生載流子壽命，減少復(fù)合，從而提高光電轉(zhuǎn)化效率，因此使用N型硅片，改變電池結(jié)構(gòu)（TOPcon,HJT）是降低電學(xué)損失的有效方式。2.2技術(shù)發(fā)展復(fù)盤：單晶PERC取代多晶成為主流技術(shù)單多晶電池技術(shù)路線之爭，以單晶的全面勝利而告終。過去一段時(shí)期，單多晶技術(shù)路線之爭一直是光伏行業(yè)爭論的焦點(diǎn)。多晶硅片中硅原子排列的晶向各不相同，不同的晶面交接處有大量的晶界，晶格缺陷和晶界處的雜質(zhì)引入了大量的少數(shù)載流子復(fù)合中心，因此降低了多晶電池的轉(zhuǎn)化效率。而單晶硅片具有完整的晶格排列，其位錯(cuò)密度和金屬雜質(zhì)比多晶硅片小得多，因此具有更高的少子壽命。與多晶硅相比，單晶硅在晶體品質(zhì)、電學(xué)性能、轉(zhuǎn)換效率方面都具備顯著的優(yōu)勢，然而由于其成本居高不下，一直不被下游廠商所接受，多晶技術(shù)在過去較長時(shí)期內(nèi)一直占據(jù)主要市場份額。自2015年起，單晶憑借連續(xù)直拉法，金剛線切割，PERC電池等一系列的技術(shù)升級實(shí)現(xiàn)降本增效，性價(jià)比大幅提高，逐漸縮小與多晶之間的差距，并最終實(shí)現(xiàn)逆轉(zhuǎn)，2020年單晶硅占比已經(jīng)達(dá)到85%，成為當(dāng)前的主流技術(shù)。PERC取代BSF電池成為主流。2016年之前，BSF鋁背場電池是主流電池技術(shù)，市占率一度超過90%。2018年之后，單晶PERC市占率以每年20%左右的百分比提升，并在19年反超BSF，成為主流電池技術(shù)。2020年單晶PERC市占率達(dá)到85%左右。PERC(PassivatedEmitterandRearCell)，即鈍化發(fā)射極和背面電池技術(shù)，最早在20世紀(jì)80年代由澳大利亞科學(xué)家MartinGreen提出。PERC電池與傳統(tǒng)鋁背電場（BSF）電池的主要區(qū)別在于其在電池的背面添加一層氧化鋁和氮化硅鈍化膜。由于硅片表面和內(nèi)部的雜質(zhì)和缺陷會帶來電學(xué)損失，因此需要增加鈍化膜來降低表面載流子的復(fù)合來減小缺陷帶來的影響，從而保障電池效率。PERC氧化鋁薄膜具備良好的場效應(yīng)和化學(xué)鈍化效果。鈍化效果指的是通過減少空穴-電子對的復(fù)合，延長少子壽命來減少電學(xué)損失，從而提高光電轉(zhuǎn)換效率。根據(jù)鈍化機(jī)理的不同，又可以分為場效應(yīng)鈍化和化學(xué)鈍化，其中場效應(yīng)鈍化指的是在界面處形成電場，以同極相斥效應(yīng)來阻止少子在界面處的復(fù)合?；瘜W(xué)鈍化指的是通過飽和懸掛鍵來弱化界面電子態(tài)，減少復(fù)合中心。氧化鋁的固定負(fù)電荷密度高達(dá)1013/cm3，在沉積過程中，負(fù)電荷恰好在氧化鋁和硅晶表面交界處，具備良好的場鈍化效果。而氧化鋁薄膜在制備的過程中同時(shí)扮演著高效氫原子儲庫的作用，能夠在熱處理過程中提供充足的氫原子，飽和硅表面懸掛鍵，起到良好的化學(xué)鈍化效果。兩種鈍化效應(yīng)的疊加，使得電池效率顯著提升，鍍膜后的PERC電池效率較BSF高出1%以上。PERC電池設(shè)備國產(chǎn)化加速了PERC對BSF電池的替代。沉積氧化鋁的方法主要有等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積（PECVD）和原子層沉積（ALD）兩種，其中前者已經(jīng)廣泛應(yīng)用于氮化硅的沉積，后者源自半導(dǎo)體工藝。2012-2015年，早期的設(shè)備供應(yīng)商以海外供應(yīng)商為主，引領(lǐng)市場的瑞士MeyerBurger公司率先開發(fā)出正反面沉積的三合一板式PECVD，德國CT開發(fā)出管式PECVD設(shè)備，SoLayTech則以ALD設(shè)備為主,三種設(shè)備都在電池廠家得到了規(guī)?；膽?yīng)用，以晶澳科技為代表的國內(nèi)電池制造企業(yè)開始技改升級，布局PERC技術(shù)，而彼時(shí)國內(nèi)設(shè)備商還處于起步階段，與國外設(shè)備差距較大。2015-2017年，在“領(lǐng)跑者計(jì)劃”的推動(dòng)下，PERC電池迎來爆發(fā)，國內(nèi)PERC產(chǎn)能從4.5GW增至28.9GW，與此同時(shí)，國內(nèi)PERC設(shè)備逐步成熟，取得階段性成果，捷佳偉創(chuàng)管式PECVD設(shè)備、理想ALD設(shè)備出貨量逐步增加。2018-2020年，PERC設(shè)備進(jìn)口替代完成，設(shè)備成本大幅降低，目前PERC全產(chǎn)線設(shè)備投資已經(jīng)下降至1-1.5億元/GW，進(jìn)一步加速了PERC對BSF的替代。愛旭股份，通威股份，潤陽光伏等憑借PERC技術(shù)實(shí)現(xiàn)彎道超車，迅速崛起成長為電池龍頭企業(yè)。2.3未來技術(shù)趨勢：高效技術(shù)百花齊放，新一代電池蓄勢待發(fā)光伏電池技術(shù)百花齊放，新一代電池蓄勢待發(fā)。光伏電池按照材料類型可分為晶硅電池和薄膜電池；按照晶體類型可分為多晶硅電池和單晶硅電池；按照摻雜類型可分為P型電池和N型電池；按照電池結(jié)構(gòu)可分為BSF，PERC，TOPcon，HJT和IBC電池等。盡管電池的材料和結(jié)構(gòu)多種多樣，但效率提升原理萬變不離其宗，最終都?xì)w結(jié)到減少電學(xué)損失和減少光學(xué)損失兩種路徑之上。（報(bào)告來源：未來智庫）2.3.1N型電池：更高的少子壽命減少電學(xué)損失，引領(lǐng)下一代新技術(shù)發(fā)展相對于P型硅片而言，以N型硅片為基底的太陽電池在發(fā)電效率的提升方面有諸多優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在降低電學(xué)損失方面：1）更高的理論效率極限；2）更高的少子壽命和雜質(zhì)容忍度；3）無光衰；4）更低的溫度系數(shù)。N型電池理論效率極限更高，晶硅電池按照摻雜類型的不同可分為P型電池和N型電池。目前單晶PERC已經(jīng)在性價(jià)比和效率上戰(zhàn)勝多晶，成為當(dāng)前主流電池技術(shù)。然而由于PERC電池結(jié)構(gòu)本身的特性，其理論極限效率約24.5%，當(dāng)前領(lǐng)先的電池廠家量產(chǎn)化平均效率已達(dá)23.4%左右，未來PERC電池進(jìn)一步提效空間有限。根據(jù)德國ISFH研究，N型單面TOPcon電池理論效率極限為27.1%，雙面多晶硅鈍化TOPcon為28.7%，異質(zhì)結(jié)電池理論效率極限為27.5%。因此相較于P型電池，N型電池在未來擁有更高的效率提升空間。N型硅片具有更高的少子壽命和雜質(zhì)容忍度。N型硅片和P型硅片的區(qū)別在于硅材料中所摻雜的元素不同，P型硅片中主要摻雜硼或鎵，少子為電子，而N型硅片中摻雜元素為磷，少子為空穴。由于帶正電荷的Fe、Cu、Ni等金屬元素具有很強(qiáng)的捕獲少子電子的能力，而對于少子空穴的捕獲能力比較弱，所以在相同金屬雜質(zhì)的情況下，N型硅片的少子壽命要明顯高于P型硅片，根據(jù)研究表明，N型硅片無論是對表面金屬雜質(zhì)，還是對體內(nèi)雜質(zhì)，都具有良好的抗污特性。相同電阻率的N型CZ硅片的少子壽命比P型硅片的高出1~2個(gè)數(shù)量級，達(dá)到毫秒級。對于10^13（atoms/cm^3）的Fe體污染，N型少子壽命由1100下降至100，而P型由1300下降至0.8。材料的少子壽命越高，光電轉(zhuǎn)換效率越高，因此N型硅片具有更高的轉(zhuǎn)換效率。N型電池?zé)o光致衰減（LID）現(xiàn)象。光致衰減現(xiàn)象指的是光伏電池組件在初始光照情況下，效率發(fā)生大幅衰減的現(xiàn)象。P型硅片在光照或者電流的注入下，摻雜的硼元素會與氧形成硼氧復(fù)合體。該復(fù)合體存在沒有飽和的化學(xué)鍵，因此會捕捉光照產(chǎn)生的載流子，從而降低載流子的壽命。硅片中的硼、氧含量越大，產(chǎn)生的硼氧復(fù)合體越多，少子壽命降低的幅度就越大，而摻磷的N型晶體硅中硼含量極低，所以幾乎沒有光致衰減效應(yīng)的存在。目前產(chǎn)業(yè)界緩解P型光衰主要思路是降低硼或氧含量，通過使用高純坩堝進(jìn)行單晶生長可以降低氧含量，使用硼鎵共摻雜降低硼含量，前者會增加硅片生產(chǎn)成本，后者會降低電池效率。而使用N型硅片則不存在光衰問題。N型電池市場份額將有望持續(xù)提升。N型硅片相較于P型硅片具有諸多優(yōu)勢，過去由于N型硅片中的磷原子與硅相溶性較差，分凝系數(shù)低，電阻率均一性差，工藝技術(shù)不成熟，成本較高，限制了N型硅片的發(fā)展。隨著N型硅片工藝水平的逐步提高、吸雜工藝的普及化以及TOPcon和HJT電池逐步實(shí)現(xiàn)規(guī)?；?，未來N型硅片的市場份額有望持續(xù)提升，逐步實(shí)現(xiàn)對P型市占率的超越。2.3.2IBC電池：表面無柵線減少光學(xué)損失，可與任何電池新技術(shù)疊加IBC(InterdigitatedBackContact)，指交叉背接觸電池是Schwartz和Lammert于1975年提出來的，將電池的發(fā)射區(qū)電極和基區(qū)電極均設(shè)計(jì)于電池背面且以交叉的形式排布的一種太陽能電池。IBC太陽電池最顯著的特點(diǎn)是PN結(jié)和金屬接觸都處于太陽電池的背部，前表面徹底避免了金屬柵線電極的遮擋，結(jié)合前表面的金字塔絨面結(jié)構(gòu)和減反層組成的陷光結(jié)構(gòu)，能夠最大限度地利用入射光，減少光學(xué)損失，具有更高的短路電流，同時(shí)，背部采用優(yōu)化的金屬柵線電極，降低了串聯(lián)電阻。IBC結(jié)構(gòu)理論上可將光電轉(zhuǎn)換效率提升0.6-0.7%。以10BB的182PERC電池為例,主柵線寬度為0.1mm,細(xì)柵線寬度為30μm，柵線遮擋面積約為990mm2,占電池總面積的2.9%，按照23.5%的電池效率計(jì)算，將正面柵線移除后，理論上電池效率可提升0.68%。因此，移除正面柵線能夠顯著降低光學(xué)損失，實(shí)現(xiàn)入射光子的最大化利用，是提高光電轉(zhuǎn)換效率的有效方式。IBC萬能結(jié)構(gòu)可與任何一種電池新技術(shù)相疊加。IBC通過轉(zhuǎn)移正面柵線來提高電池效率的方式，使得其成為一種萬能的結(jié)構(gòu)，可以與任何一種電池新技術(shù)疊加，IBC與TOPcon電池疊加可形成TBC電池，與HJT電池疊加可形成HBC電池，與P型PERC電池疊加則形成PBC電池，均有較為顯著的提效效果。IBC電池對基體材料要求較高，需要較高的少子壽命。因?yàn)镮BC電池屬于背結(jié)電池，為使光生載流子在到達(dá)背面p-n結(jié)前盡可能少的或完全不被復(fù)合掉，就需要較高的少子擴(kuò)散長度，因此IBC電池需采用高少子壽命的P型硅片，或者N型硅片，以保證更高的載流子收集率。3、短期內(nèi)TOPcon及P-IBC共同發(fā)展，長期HJT技術(shù)有望形成統(tǒng)一路線3.1發(fā)展歷史：你追我趕，各項(xiàng)電池技術(shù)紛紛實(shí)現(xiàn)從實(shí)驗(yàn)室到產(chǎn)業(yè)化電池技術(shù)的發(fā)展必然要經(jīng)歷實(shí)驗(yàn)室階段，小試階段，中試階段才能最終達(dá)到產(chǎn)業(yè)化階段。TOPcon和HJT是目前行業(yè)內(nèi)兩種以N型硅片為基底的主流技術(shù)，兩者相比各有優(yōu)劣勢，經(jīng)過多年的研發(fā)，均已進(jìn)入量產(chǎn)轉(zhuǎn)化階段。其中Topcon由于與現(xiàn)有的PERC電池產(chǎn)線具有良好的兼容性，技術(shù)工藝上相對更加成熟穩(wěn)定，已經(jīng)具備性價(jià)比優(yōu)勢。HJT作為一種與現(xiàn)有產(chǎn)線不兼容的全新電池結(jié)構(gòu)，效率起點(diǎn)高，未來提升空間大，但當(dāng)前還面臨成本壓力問題。P-IBC技術(shù)是P型高效技術(shù)的延續(xù)，它結(jié)合了PERC電池，TOPcon電池和IBC電池的結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)，將P型電池的效率潛力發(fā)揮到最大，成本優(yōu)勢突出，目前也已具備量產(chǎn)性價(jià)比。TOPCon電池：全稱隧穿氧化層鈍化接觸電池（TunnelOxidePassivatingContacts），是一種使用超薄隧穿氧化層和摻雜多晶硅層作為鈍化層結(jié)構(gòu)的太陽電池，同時(shí)兼具良好的接觸性能，可以極大地提升太陽能電池的效率。發(fā)展歷史：2013年德國Fraunhofer研究所在N型PERT結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，首次提出TOPCon結(jié)構(gòu)；2017年Fraunhofer研究所在實(shí)驗(yàn)室TOPcon電池上取得25.8%的效率記錄；2019年，天合光能在面積為244.62平方厘米的n型襯底上制備出正面最高效率為24.58%的實(shí)驗(yàn)室電池，并獲德國哈梅林太陽能研究所（ISFH）下屬的檢測實(shí)驗(yàn)室認(rèn)證，同年，天合光能i-TOPCon雙面電池大規(guī)模量產(chǎn)正面平均轉(zhuǎn)換效率突破23%。2021年，晶科能源TOPcon電池在權(quán)威第三方測試認(rèn)證機(jī)構(gòu)日本JET檢測實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定全面積電池最高轉(zhuǎn)化效率達(dá)到25.4%，成為商業(yè)化全面積電池效率記錄的保持者，為后續(xù)的N型TOPCon電池的擴(kuò)產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。HJT電池：傳統(tǒng)晶體硅太陽電池的p-n結(jié)都是由導(dǎo)電類型相反的同一種材料——晶體硅組成的，屬于同質(zhì)結(jié)電池。而異質(zhì)結(jié)(heterojunction，HJT)就是指由兩種不同的半導(dǎo)體材料組成的結(jié)。其工作基本原理與普通太陽能電池相同，都是利用PN結(jié)的原理產(chǎn)生光生電流，不同的是HJT電池的發(fā)射級是一層非常薄的非晶硅層，然而由于非晶硅本身的特性以及晶格失配產(chǎn)生的缺陷，使得產(chǎn)生的載流子在接觸表面附近很容易復(fù)合，因此要在晶體硅和非晶硅之間添加一層本征非晶硅薄層來減小載流子的復(fù)合。發(fā)展歷史：從上世紀(jì)80年代，實(shí)驗(yàn)室就開始研究晶體硅和非晶硅疊加的電池，1990年最先由日本的三洋公司提出異質(zhì)結(jié)的基本結(jié)構(gòu)，2015年三洋的HJT專利保護(hù)結(jié)束，專利壁壘消除，國內(nèi)外電池企業(yè)開始大力發(fā)展和推廣HJT量產(chǎn)化技術(shù)，2015-2020年間，國內(nèi)光伏企業(yè)快速發(fā)展，國產(chǎn)電池制造裝備崛起，光伏量產(chǎn)技術(shù)研發(fā)的中心由歐洲轉(zhuǎn)移至中國，早期的技術(shù)積累疊加光伏設(shè)備成本大幅降低，為異質(zhì)結(jié)的量產(chǎn)化發(fā)展鋪平道路，漢能，中智，通威，阿特斯，邁為，東方日升，華晟，隆基等成為國內(nèi)HJT領(lǐng)先企業(yè)。2021年6月初，隆基綠能公布其量產(chǎn)HJT轉(zhuǎn)化效率達(dá)到25.26%；10月，隆基再次刷新HJT電池效率記錄，實(shí)驗(yàn)室效率達(dá)到26.3%，是異質(zhì)結(jié)電池的一大突破。2022年隆基在全尺寸(M6尺寸，面積274.3cm2)單晶硅片上，創(chuàng)造了轉(zhuǎn)換效率為25.47%的大尺寸P型光伏電池效率世界紀(jì)錄，進(jìn)一步驗(yàn)證了低成本異質(zhì)結(jié)量產(chǎn)技術(shù)的可行性。IBC電池發(fā)展歷史：IBC電池早最是由Lammert和Schwartz在1975年提出的背面指交叉式電池結(jié)構(gòu)。美國的Sunpower公司是IBC電池的領(lǐng)軍者和開拓者，2014年其量產(chǎn)平均效率就達(dá)到23.62%，2015年實(shí)驗(yàn)室效率達(dá)到25.2%；2018年天合研發(fā)的大面積IBC電池轉(zhuǎn)換效率達(dá)到25.04%；2019年5月中來公司宣布已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)IBC電池的批量生產(chǎn)，年產(chǎn)能約150MW,量產(chǎn)轉(zhuǎn)換效率22.8%，最高效率23.4%。2020年5月國電投黃河水電200MWN型IBC產(chǎn)線建設(shè)完成，量產(chǎn)平均轉(zhuǎn)換效率達(dá)到23.6%。IBC電池與其他新電池技術(shù)相疊加，可以獲得更高的轉(zhuǎn)換效率，2017年3月，日本Kaneka公司通過將HJT和IBC電池技術(shù)疊加，得到HBC電池，效率達(dá)到26.7%，目前這項(xiàng)效率記錄已經(jīng)保持5年之久。3.2電池結(jié)構(gòu)：新型電池結(jié)構(gòu)決定電池效率光伏電池的結(jié)構(gòu)是影響電池效率的關(guān)鍵因素，PN結(jié)是光伏發(fā)電的核心，基底上下不同的膜層，根據(jù)原理的不同，均起到了提升發(fā)電效率的作用。光伏電池中常用的膜層包括氮化硅膜，氧化鋁膜，二氧化硅膜，非晶硅膜，透明導(dǎo)電膜等。PERC，TOPcon，HJT，P-IBC等電池技術(shù)通過使用不同的膜層來達(dá)到提效目的。氮化硅膜：減反作用和鈍化作用。減反射膜原理在于利用光在不同界面處的反射進(jìn)行干涉相消。當(dāng)膜層的光學(xué)厚度為某一波長的1/4時(shí)，則利用光波180°的相位差可以進(jìn)行疊加相消，氮化硅的折射率為1.9，是最佳的電池減反膜材料。此外，氮化硅膜在制備的過程中可引入大量的氫原子，經(jīng)退火后起到良好的氫鈍化作用。氧化鋁膜：鈍化作用。硅片在生長時(shí)硅原子的周期性被打亂而產(chǎn)生懸空鍵，容易形成復(fù)合中心，從而降低電池效率。氧化鋁具有較高的固定負(fù)電荷密度，可以大幅減少少數(shù)載流子到達(dá)表層，另一方面也扮演著氫原子存儲的作用，在熱處理時(shí)可提供充足的氫原子，通過飽和懸空鍵來弱化界面電子態(tài)。二氧化硅+摻雜多晶硅：隧穿作用和鈍化作用。二氧化硅隧穿膜最佳厚度在1.2nm,其作用在于使多數(shù)載流子（電子）通過隧穿效應(yīng)穿過氧化層，但少數(shù)載流子（空穴）被阻擋，從而進(jìn)一步降低了載流子復(fù)合效應(yīng)。摻雜多晶硅層一方面起到保護(hù)二氧化硅層的作用，另一方面會增加電子或空穴在氧化硅中的隧穿概率，因此，多晶硅層的摻雜濃度越高，太陽能電池的開路電壓和效率就越高。氫化非晶硅膜：鈍化作用和PN結(jié)作用。氫化非晶硅膜與晶體硅基底之間能夠形成良好的界面鈍化，主要應(yīng)用在異質(zhì)結(jié)電池中，由于非晶硅層內(nèi)存在H鍵，可以飽和其內(nèi)部懸掛鍵，對異質(zhì)結(jié)界面進(jìn)行鈍化從而減少界面缺陷對載流子的復(fù)合，有效載流子數(shù)量增多，組件能獲得更高的開路電壓。HJT電池由于在PN結(jié)成結(jié)的同時(shí)完成了單晶硅的表面鈍化，大大降低了表面、界面漏電流，電池效率較傳統(tǒng)晶硅電池有較大幅度的提升。3.3工藝步驟：生產(chǎn)工藝決定量產(chǎn)難度電池結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度決定了電池量產(chǎn)的工藝步驟，同時(shí)也決定了設(shè)備投資成本，生產(chǎn)良率，產(chǎn)線兼容性以及量產(chǎn)難易程度。光伏電池的生產(chǎn)工藝主要包括清洗制絨，由于不同電池技術(shù)的結(jié)構(gòu)存在差異，生產(chǎn)工藝也不盡相同。從生產(chǎn)步驟上來看工藝步驟由少到多分別為HJT,BSF,PERC,P-IBC,TOPcon，從兼容性上來看同質(zhì)結(jié)電池PERC,TOPcon,P-IBC電池之間兼容性較強(qiáng)，HJT電池由于采用異質(zhì)結(jié)的創(chuàng)新性結(jié)構(gòu)，工藝上不具備兼容性。電池制備的基礎(chǔ)工藝包括清洗制絨，擴(kuò)散，清洗刻蝕，鍍膜，激光開槽，絲印燒結(jié)等步驟。（1）清洗制絨由于硅片在切割過程中表面會產(chǎn)生大量的油污，金屬污染和機(jī)械損傷，因此要對硅片進(jìn)行酸洗（多晶）或者堿洗（單晶），利用各向同行和各向異性原理對硅片表面進(jìn)行腐蝕，去除硅片表面機(jī)械損傷層；清除表面油污和金屬雜質(zhì)，形成潔凈表面；形成起伏不平的絨面，使入射光在表面進(jìn)行多次反射和折射，延長光程，減少光學(xué)損失，金剛線切割硅片經(jīng)過清洗制絨后表面反射率可從50%降低至15%以下。（2）擴(kuò)散使用液態(tài)磷源（三氯氧磷）/硼源（硼酸三甲酯等）在高溫作用下在硅片表面擴(kuò)散沉積，主要作用是形成電池的PN結(jié)，根據(jù)摻雜元素的不同分為磷擴(kuò)散和硼擴(kuò)散，其中P型硅片采用磷擴(kuò)散，N型硅片需進(jìn)行硼擴(kuò)散。由于硼原子在硅中的固溶度較低，因此其擴(kuò)散難度比磷擴(kuò)散更高，溫度需要達(dá)到950-1050℃，成膜時(shí)間達(dá)到240min。因此N型電池所需成本更高，制備難度更大。（報(bào)告來源：未來智庫）（3）刻蝕擴(kuò)散過程中磷（硼）會與硅形成磷硅玻璃層PSG(或硼硅玻璃層BSG),為富含磷元素的二氧化硅層，對后續(xù)工藝產(chǎn)生不良影響，并且可能導(dǎo)致PN結(jié)漏電，因此需要使用化學(xué)試劑對PSG（BSG）層進(jìn)行刻蝕清洗。（4）鍍膜鍍膜是光伏電池制備中的重要工藝，光伏電池根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同，鈍化膜層的種類較多，不同材料的膜層需要使用不同的鍍膜方法進(jìn)行制備。主要方法可分為物理氣相沉積PVD、化學(xué)氣相沉積CVD、原子層沉積ALD。在光伏行業(yè)中應(yīng)用較多的包括PECVD,ALD,LPCVD,PVD等技術(shù)。PECVD（等離子體化學(xué)氣象沉積）:借助微波或射頻等使含有薄膜組成原子的氣體，在局部形成等活性較強(qiáng)的離子體，在基片上沉積出薄膜。主要用于制備氮化硅，氧化鋁及非晶硅膜層中，在PERC,TOPcon,HJT,P-IBC電池技術(shù)中均有應(yīng)用。ALD(原子層沉積):通過將氣相前驅(qū)體脈沖交替地通入反應(yīng)器并在沉積基體上化學(xué)吸附并反應(yīng)而形成沉積膜的一種方法。主要用于制備氧化鋁膜層，應(yīng)用于PERC,TOPcon和P-IBC技術(shù)。LPCVD(低壓化學(xué)氣象沉積)：用加熱的方式在低壓條件下使氣態(tài)化合物在基片表面反應(yīng)并淀積形成穩(wěn)定固體薄膜，主要用于制備二氧化硅和摻雜多晶硅層，應(yīng)用于TOPcon和P-IBC技術(shù)。PVD(物理氣象沉積):在真空條件下，采用大電流的電弧放電技術(shù)，利用氣體放電使靶材蒸發(fā)并使被蒸發(fā)物質(zhì)與氣體都發(fā)生電離，利用電場的加速作用，使被蒸發(fā)物質(zhì)及其反應(yīng)產(chǎn)物沉積。主要用于制備透明導(dǎo)電膜，應(yīng)用于HJT技術(shù)。（5）激光激光的作用主要包括激光摻雜和激光開鑿。激光摻雜(SE)用于電池表現(xiàn)選擇性摻雜；激光消融用于電池背面局部膜層開槽，使背場與硅基底形成局部接觸。（6）絲印燒結(jié)光伏電池表面膜層不具備收集電子及空穴的能力，因此需要在電池的正背面印刷銀漿或鋁漿，并通過高溫?zé)Y(jié)形成良好的金屬半導(dǎo)體接觸，將光生載流子導(dǎo)出至外電路中形成電流。由于電池技術(shù)的的升級，工藝和設(shè)備變得更加復(fù)雜，初始投資成本更高，其中TOPcon,P-IBC的設(shè)備投資成本較為接近，較PERC增加9000萬元/GW左右，而HJT設(shè)備較貴，約為PERC設(shè)備的3倍。PERC電池工藝流程包括清洗制絨，磷擴(kuò)散，激光摻雜SE,刻蝕，鍍氮化硅膜，氧化鋁膜，激光開槽和絲網(wǎng)印刷，總體設(shè)備投資1.2-1.6億元/GW,按照7年折舊計(jì)算，折合設(shè)備成本0.019元/W。TOPcon電池由于需要使用N型硅片，并增加了二氧化硅隧穿層和多晶硅膜，因此在PERC電池設(shè)備的基礎(chǔ)上增加了硼擴(kuò)散，LPCVD和鍍膜清洗設(shè)備，減少了激光設(shè)備，整體投資在2.1-2.5億元/GW,按照7年折舊計(jì)算，折合設(shè)備成本0.031元/W,較PERC高0.012元/W。P-IBC電池工藝依舊使用的是P型硅片，但增加了二氧化硅隧穿層，多晶硅膜，并對激光設(shè)備進(jìn)行了升級，因此在PERC電池設(shè)備的基礎(chǔ)上增加了LPCVD，鍍膜清洗設(shè)備，并對激光設(shè)備進(jìn)行了升級，整體投資在2.2-2.6億元/GW,按照7年折舊計(jì)算，折合設(shè)備成本0.033元/W,較PERC高0.014元/W。HJT設(shè)備與其他電池技術(shù)不兼容，主要包括制絨，PECVD，PVD和絲網(wǎng)印刷設(shè)備，總投資3.8-4.5億元，按照7年折舊計(jì)算，折合設(shè)備成本0.057元/W,設(shè)備成本較高。3.4生產(chǎn)成本：產(chǎn)品性價(jià)比決定擴(kuò)產(chǎn)節(jié)奏成本是企業(yè)在進(jìn)行新技術(shù)路線選擇時(shí)的核心考量因素。以PERC技術(shù)組件端總成本作為參考標(biāo)準(zhǔn)，在假設(shè)條件下，TOPcon較PERC成本高0.04元/W,P-IBC成本與PERC幾乎持平，HJT成本高出0.14元/W?？紤]高效組件0.1元左右的溢價(jià)，TOPcon與P-IBC電池目前均已具備量產(chǎn)性價(jià)比。假設(shè)條件：理想狀態(tài)下PERC，TOPcon，HJT，P-IBC的效率分別為23.50%，24.80%，24.95%，24.80%，良率分別為98.5%，96.5%，97.5%，95.0%。硅片端：硅片端成本差異主要來源于基地材料的選擇和硅片的厚度。硅片材料方面TOPcon和HJT使用N型硅片，PERC和P-IBC使用P型硅片，硅片厚度方面TOPcon,PERC,P-IBC均采用高溫工藝，使用厚度為160μm的硅片，HJT低溫工藝可使用150μm硅片。N型硅片價(jià)格較P型高5-8%，則PERC，TOPcon，HJT，P-IBC硅片端成本分別為0.78、0.80、0.78、0.77元/W。電池端：電池端成本差異主要來源于銀漿耗量和設(shè)備折舊。銀漿耗量方面PERC，TOPcon，HJT，P-IBC分別為80、120、165、80mg/片，設(shè)備投資分別為1.3、2.1、3.8、2.2億元/GW。則PERC，TOPcon，HJT，P-IBC電池端綜合成本分別為0.94、1.00、1.11、0.96元/W。組件端：組件端成本差異主要來源于組件功率和非硅成本。按照PERC，TOPcon，HJT，P-IBC功率分別為550、570、575、570W計(jì)算，組件端綜合成本分別為1.56、1.60、1.70、1.56元/W。從最終組件端綜合成本來看，當(dāng)前P-IBC電池已經(jīng)具備成本優(yōu)勢，TOPcon成本較PERC稍高，HJT電池成本還需進(jìn)一步下降。溢價(jià)：TOPcon高效組件產(chǎn)品溢價(jià)約為0.1元/W。新型產(chǎn)品性價(jià)比除了考慮絕對成本優(yōu)勢外，還需考慮高功率溢價(jià)優(yōu)勢。參考PVinfolink數(shù)據(jù)，2017-2020年間，單晶組件相對于多晶組件長期保持8%-10%的價(jià)格溢價(jià)，大尺寸（182及210）高功率組件產(chǎn)品相對于常規(guī)功率組件也能保持一定溢價(jià)。根據(jù)湖南省電力設(shè)計(jì)院測算，TOPcon組件由于具有更高的轉(zhuǎn)換效率，低溫度系數(shù)，雙面率和弱光響應(yīng)能力，因此具有更高的發(fā)電小時(shí)數(shù)，能夠有效節(jié)省安裝費(fèi)，支架，樁基，線纜等系統(tǒng)BOS成本。按照TOPcon組件相對PERC組件溢價(jià)0.15元/W進(jìn)行測算，其度電成本LCOE仍然能夠比PERC系統(tǒng)低1.35%，高效優(yōu)勢突出。從歷史經(jīng)驗(yàn)和最新中標(biāo)結(jié)果來看，由于高效產(chǎn)品單位面積內(nèi)功率更高，能夠?yàn)殡娬究蛻艄?jié)約BOS成本并降低度電成本LCOE,因此售價(jià)方面能夠享受一定溢價(jià)。綜合考慮下，TOPcon與P-IBC當(dāng)前已具備擴(kuò)產(chǎn)性價(jià)比，產(chǎn)能方面有望快速放量。3.5擴(kuò)張趨勢：短期內(nèi)TOPcon與P-IBC有望快速放量2022年將以TOPcon放量為主，新建產(chǎn)能會優(yōu)先考慮N型TOPcon電池技術(shù)。TOPcon電池作為一種大眾化的技術(shù)路線，已經(jīng)具備量產(chǎn)性價(jià)比，2022年會率先大規(guī)模上量。晶科能源是N型TOPcon技術(shù)領(lǐng)頭軍，合肥及尖山共16GW項(xiàng)目即將完成爬坡滿產(chǎn)，預(yù)計(jì)全年TOPcon組件出貨量將達(dá)到10GW。晶科能源上半年的產(chǎn)能爬坡情況將影響后續(xù)行業(yè)對N型TOPcon的擴(kuò)產(chǎn)計(jì)劃，包括晶澳，天合，鈞達(dá)，通威在內(nèi)主流企業(yè)均有TOPcon相關(guān)擴(kuò)產(chǎn)計(jì)劃。預(yù)計(jì)22年新上TOPcon產(chǎn)能將達(dá)到49.8GW（包括在建和招標(biāo)中的項(xiàng)目），TOPcon大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化將于今年爆發(fā)。隆基是P-IBC技術(shù)領(lǐng)軍者，結(jié)合上下游硅片及組件端優(yōu)勢形成P-IBC技術(shù)護(hù)城河。P-IBC技術(shù)結(jié)合P型TOPcon和IBC工藝，對上下游配套要求較高，一方面要求使用高體少子壽命硅片，另一方面需要優(yōu)化組件焊接端匹配電池背面指交叉柵線，對一體化企業(yè)規(guī)模和研發(fā)能力要求較高，因此其他企業(yè)在技術(shù)跟隨方面存在一定難度。目前隆基泰州正在進(jìn)行4GW新技術(shù)廠房改建，預(yù)計(jì)8月份建成投產(chǎn)，西咸共15GW產(chǎn)能也將采用新技術(shù)，預(yù)計(jì)將于9月開始陸續(xù)投產(chǎn)。異質(zhì)結(jié)電池新舊玩家眾多，短期還需進(jìn)一步降低成本，長期有望形成統(tǒng)一技術(shù)路線。截至2021年底國內(nèi)HJT產(chǎn)能約為5.57GW，2022年待建產(chǎn)能4.8GW,2022年底至少具備10GW的異質(zhì)結(jié)產(chǎn)能。國內(nèi)參與企業(yè)主要有兩類，一是傳統(tǒng)電池企業(yè)布局異質(zhì)結(jié)：通威，阿特斯，東方日升，晶澳，隆基，愛旭等。傳統(tǒng)企業(yè)除通威1GW產(chǎn)能以外，其他均以試驗(yàn)線為主。二是新進(jìn)入企業(yè)布局異質(zhì)結(jié)，華晟，晉能，明陽智能，金剛玻璃等。新進(jìn)入企業(yè)以安徽華晟為代表，異質(zhì)結(jié)產(chǎn)能均超1GW,以期借助技術(shù)迭代實(shí)現(xiàn)彎道超車。當(dāng)前制約HJT發(fā)展的主要原因是成本問題，目前HJT設(shè)備，漿料，薄片化，高效率四大降本路徑較為清晰，待降本落地后，HJT大時(shí)代將正式開啟。TOPcon,P-IBC技術(shù)已具備擴(kuò)產(chǎn)性價(jià)比，短期內(nèi)將針對不同應(yīng)用場景并行發(fā)展，HJT電池高成本問題解決后有望形成統(tǒng)一技術(shù)路線。結(jié)合不同技術(shù)路線發(fā)展背景，成本，效率，良率，雙面率，設(shè)備兼容性，工藝復(fù)雜程度，應(yīng)用場景等因素，我們認(rèn)為短期看TOPcon與P-IBC電池將通過差異化市場需求并行發(fā)展，長期將由HJT技術(shù)形成統(tǒng)一路線，擴(kuò)產(chǎn)節(jié)點(diǎn)取決于其提效降本技術(shù)落地情況，需跟蹤關(guān)注HJT設(shè)備，金屬化技術(shù)降本進(jìn)展。（報(bào)告來源：未來智庫）4、投資分析新型電池產(chǎn)業(yè)化趨勢逐漸清晰，行業(yè)格局初現(xiàn)雛形。技術(shù)迭代周期行業(yè)格局易發(fā)生改變，當(dāng)前頭部企業(yè)在技術(shù)路線選擇和擴(kuò)產(chǎn)時(shí)間及規(guī)模的把握上更加謹(jǐn)慎，先進(jìn)入者有望享受超額收益。TOPcon作為大眾化技術(shù)路線，當(dāng)前已經(jīng)經(jīng)歷了實(shí)驗(yàn)室研發(fā)和中試階段的驗(yàn)證，正在進(jìn)入規(guī)?；慨a(chǎn)階段。P-IBC方