為什么這一應用將成為激光下一個必爭之地

光伏行業(yè)作為目前我國最有競爭力的新興可再生能源產(chǎn)業(yè)之一，經(jīng)過近二十年的發(fā)展，光伏產(chǎn)業(yè)從技術到產(chǎn)業(yè)，都成為中國領先并引領全球發(fā)展的“長板”，正以不可估量的速度飛速發(fā)展，是推動我國能源變革的重要引擎，也是未來實現(xiàn)我國承諾減排目標“2030年碳達峰、2060年碳中和”的主力軍。目前我國光伏產(chǎn)業(yè)在制造業(yè)規(guī)模、產(chǎn)業(yè)化技術水平、應用市場拓展、產(chǎn)業(yè)體系建設等方面均位居全球前列。近年來，隨著國內加快能源結構的優(yōu)化調整，在碳達峰碳中和目標引領和全球清潔能源加速應用背景下，光伏裝機容量將持續(xù)攀升。據(jù)國家能源局統(tǒng)計，2022年上半年國內光伏發(fā)電裝機30.88GW，同比增長137.4%，已超過2021年1-10月國內新增裝機容量總和。中國光伏行業(yè)協(xié)會預測，2022年國內光伏新增裝機將達到85～100GW。預計2022年-2025年，國內年均新增光伏裝機將達到83～99GW，我國光伏產(chǎn)業(yè)總體呈現(xiàn)穩(wěn)定上升的發(fā)展態(tài)勢。光伏行業(yè)嘗試各種渠道推動電池片生產(chǎn)成本的下降。一是通過技術進步降低成本，根據(jù)中國光伏行業(yè)協(xié)會的統(tǒng)計，電池轉換效率每提升1%，成本可下降5%-7%，因此提升轉換效率是降低生產(chǎn)成本的主要途徑之一；二是通過降低物耗以降低成本，電池片加工環(huán)節(jié)的主要材料成本包括晶硅和漿料，其中漿料價格與銀等大宗商品掛鉤，下降難度較大，因此企業(yè)往往通過技術升級來降低電池片中的漿料用量，從而達到降低成本的目的；三是通過壓低原材料價格以促進成本降低；四是通過設備的國產(chǎn)化，提升生產(chǎn)品質的同時大幅度降低投資成本。綜上，為在平價上網(wǎng)的大背景下保持企業(yè)競爭力，電池片生產(chǎn)成本降低將成為市場趨勢。此外，占地面積小、單位面積發(fā)電量高的高效電池成為產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要方向。電池片轉換效率主要由其技術路線、工藝和生產(chǎn)設備等因素決定。光伏發(fā)電將憑著環(huán)保優(yōu)勢對傳統(tǒng)能源形成較大的競爭優(yōu)勢，在能源中的占比將迅速上升，由此帶來對光伏組件的巨大需求。在此背景下，高效太陽能電池加工設備的市場需求將被進一步拉動。激光在N型電池中的應用包括激光摻雜、激光修復、激光刻蝕、激光轉印等，價值量較PERC時代有望成倍增長，因此N型電池放量也將帶來光伏激光設備市場空間快速擴容。PERC電池仍為主流，激光技術助力增效太陽能電池是通過光電反應將光能轉換成電能的能量轉換器，在太陽能電池生產(chǎn)中，激光加工技術目前主要應用于消融、切割、刻邊、摻雜、打孔、激光修復、激光劃片等工藝。PERC疊加激光摻雜SE：采用激光摻雜的SE技術可以顯著提高太陽能電池淺擴散區(qū)域的表面濃度，降低表面復合，在金屬接觸區(qū)域實現(xiàn)重摻雜，改善金屬漿料和電池的接觸，降低接觸電阻，提高電池轉換效率。因此，激光摻雜技術能在與現(xiàn)有PERC電池線兼容的基礎上，提高產(chǎn)出電池的光電轉換效率。PERC+SE電池較普通PERC電池的光電轉換效率絕對值可提高0.3%至0.5%。利用激光加工工藝實現(xiàn)PERC+電池，光伏制造企業(yè)僅需在PERC生產(chǎn)線基礎上增加SE激光摻雜設備，投入較小，效益明顯。2019年，為降低太陽能電池生產(chǎn)過程中的酸排放，堿拋技術逐步替代傳統(tǒng)的硝酸和氫氟酸，成為PERC電池PN結隔離的主要手段。堿拋技術的應用，提升電池背鈍化面的平整度，提升了背面反射率和鈍化效果，提升了轉換效率提升。針對堿拋工藝的激光摻雜技術也應運而生，解決了原有技術的局部腐蝕問題，提升了轉換效率。隨著大尺寸硅片時代的到來，182mm和210mm的大尺寸硅片進一步提升了激光消融和摻雜整幅面的均勻性的要求，PERC疊加激光摻雜SE技術和堿拋已經(jīng)成為2020年新增PERC產(chǎn)能的標準配置。PERC消融（刻蝕）工藝：PERC高效太陽能電池是通過在電池背面增加鈍化層，阻止載流子在一些高復合區(qū)域（如電池表面與金屬電極的接觸處）的復合行為，減少電損失，同時可以增強電池下表面光反射，減少光損失，從而提高電池的轉換效率，提高電池的性能。PERC電池與常規(guī)全鋁背場電池最大的區(qū)別在于：電池背面用全表面介質膜鈍化和局域金屬接觸方式取代全鋁背場電極。在PERC技術中，背面電極透過鈍化層實現(xiàn)微納級高精度的局部接觸是技術難點之一。加工過程中，在對鈍化膜精密刻蝕的同時，不能損傷到硅襯底材料，否則會影響電池片最終轉化效率。早期實驗室主要采用濕法刻蝕工藝，產(chǎn)業(yè)化難度高，且成本高。即便利用激光方式，也要求激光加工能夠定位最優(yōu)化的能量密度分布，精確控制激光作用時間，同時保證每個脈沖嚴格一致。只有特制的激光器和光路控制，配合長期積累的工藝經(jīng)驗，才能得到最佳的電池性能。迅速定位與特定材料加工匹配的微納級激光加工技術和適應高效生產(chǎn)的控制系統(tǒng)是PERC電池激光加工設備的技術核心，同時也是高效太陽能電池實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的保證。激光摻雜幫助TOPCon的效率進一步提升在PERC高效太陽能電池快速發(fā)展的同時，限制于電池結構的限制，轉換效率逐步接近天花板。以N型電池為代表的TOPCon電池、HJT電池、IBC等高效太陽能電池結構不斷技術升級，逐步從實驗室走向產(chǎn)業(yè)化。圖表32：N型組件產(chǎn)能及出貨量據(jù)PVInfolink預測，各大企業(yè)對N型的研發(fā)投入逐漸加大，在未來幾年內，以N型為主的TOPCon、HJT和IBC增長趨勢明顯。從生產(chǎn)工藝來看，IBC電池工藝最難最復雜，TOPCon次之，HJT電池工藝最簡單、步驟最少。從生產(chǎn)設備來看，TOPCon電池與現(xiàn)有主流技術PERC太陽能電池生產(chǎn)工藝兼容性最高，可從PERC產(chǎn)線升級，IBC次之，HJT電池完全不兼容現(xiàn)有設備，需要新建產(chǎn)線，且設備投資額最大。2013年德國FraunhoferISE研究所提出TOPCon電池概念，采用N型硅材料作為襯底，硼擴散形成發(fā)射極，背面采用一層超薄氧化層和摻雜多晶硅層鈍化層，雙面絲網(wǎng)形成金屬電極，電池結構如下圖所示，經(jīng)過幾年的技術優(yōu)化，F(xiàn)raunhoferISE公布的最高轉換效率已達到26%。國內晶科能源、天合光能、中來股份等多家光伏企業(yè)相繼開展了相關研究，量產(chǎn)的轉換效率得到快速提升。在TOPCon電池生產(chǎn)流程中，激光技術可以用于選擇性重摻（SE工藝）及激光轉印等環(huán)節(jié)。TOPCon電池中，激光硼摻雜為提效核心工藝之一，可實現(xiàn)0.2%-0.3%的效率提升。從技術原理上看，TOPCon的激光硼摻工藝原理與PERC+SE基本相同，即通過實現(xiàn)局部重摻，提升光電轉換效率。但最大差異在于，兩種工藝的擴散材料本身存在差異，前者擴散硼，而PERC電池擴散磷。且擴硼難度高于擴磷難度、更為復雜。PERC電池技術標配激光SE為一次摻雜，但TOPCON電池用的是N型硅片襯底，需要硼擴散，硼擴散速率慢、溫度高，在硅中固溶度低、一次摻雜困難，此前行業(yè)內使用二次摻雜方案較多。二次摻雜工藝主要工序為硼擴散后首先用激光開槽，將表面BSG硼硅玻璃打穿至摻雜面，然后再進行一次硼擴形成高低結重摻。但是硼擴溫度極高、能耗較大，同時第二次硼擴也會額外增加硼擴、清洗等設備投資。激光LIA修復設備幫助HJT提效降衰晶體硅異質結太陽電池（HeteroJunctionwithintrinsicThinlayersolarcell）是在晶體硅上沉積非晶硅薄膜，綜合了晶體硅電池與薄膜電池的優(yōu)勢，具有轉換效率高、工藝溫度低、穩(wěn)定性高、衰減率低、雙面發(fā)電等顯著優(yōu)點。日本三洋公司在1990年研發(fā)了HJT電池，2010年核心專利過期后，多家公司開始專注于HJT技術的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化。圖表35：HJT電池結構在光照情況下，對HJT電池進行加熱退火，可以提高非晶硅的鈍化效果，提高電池轉換效率。除此之外，在HTT電池上，LIA技術同時能減少電池片的暗衰減，延長電池組件的使用壽命。修復工藝的核心是能否將效率提升穩(wěn)定保持到組件上，主要路徑有LED光注入和激光LIA設備。激光LIA設備兼具抗衰減和提效雙重功能，且可以有效降低組件端衰減，已成為HJT光注入修復路徑中的重要選項，較傳統(tǒng)LED工藝具備絕對優(yōu)勢。在HJT電池中的應用方面，以帝爾激光為例，公司激光修復技術通過激光均勻輻照，整幅面激光輻照均勻性可達5%以內，滿足230mm以下尺寸電池片高光強輻照，提高非晶硅的鈍化效果，提升電池開路電壓，同時改善銀漿與襯底的接觸，大幅提高填充因子，進而提升轉換效率。根據(jù)帝爾激光投資者關系活動記錄表，其激光LIA設備曾獲量產(chǎn)訂單，單臺設備價格不低于300萬元，對應激光LIA設備單GW價值量約3000萬元。新型無接觸激光轉印技術，替代空間廣闊激光圖形轉印技術(PatternTransferPrinting，簡稱：PTP)是一種新型的非接觸式的印刷技術，該技術在特定柔性透光材料上涂覆所需漿料，采用高功率激光束高速圖形化掃描，將漿料從柔性透光材料上轉移至電池表面，形成柵線。PTP技術能夠突破傳統(tǒng)絲網(wǎng)印刷的線寬極限，輕松實現(xiàn)25μm以下的線寬，實現(xiàn)更優(yōu)的高寬比，幫助電池實現(xiàn)超細密柵電池，匹配選擇性發(fā)射極技術，提升電池轉換效率，做到18um以下可以漿料節(jié)省30%，在PERC上已經(jīng)得到論證，HJT電池使用的是低溫銀漿，顆粒度小，轉印可以達到更新的線寬，從而降低銀漿耗量，提升電池效率，TOPCON工藝是N型雙面銀漿，對銀漿耗量更為敏感，在TOPCon、HJT等路線上的節(jié)省量會更高。絲網(wǎng)印刷過程中，為保證整個電池幅面印刷質量，全程對電池表面施加比較大的壓力。PTP技術加工過程中則無需接觸電池表面。隨著182mm、210mm電池尺寸時代的到來，印