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PERC和HJT带来电源电池设备新时代!

   日期:2020-05-06     来源:未来智库    浏览:3069    评论:0    
一、PERC 和 HJT 是电池技术的未来

电源电池技术路线。目前晶硅类电池的技术方向包括单晶和多晶。多晶电池逐渐向黑硅方向升级。单晶包括 P 型和 N 型。P 型电池中 PERC 技术逐渐成为主流,叠加 SE(选择性发射极)技术,电池效率 逐渐提升。但是 P 型电池有其转换效率的极限,而 N 型电池成为未 来高转换效率的方向,目前包括 PERT、TOPCon(隧穿氧化钝化接触)、 IBC(全背电极接触)、HJT(异质结)四种技术路径。下面将分别对 各种技术路径进行讲解。


1)PERC 目前技术比较成熟、性价比比较高,技术相对容易,设备 完成了国产化,最高效率达到 22%,成为这两年高效电池主要扩产的 技术,叠加 SE(选择性发射极)技术,预计到 2020 年前依然是电源 电池主流技术。

2)N-PERT 可实现量产,技术难度容易,设备投资较少。但是与双面 P-PERC 相比没有性价比优势,已经证明为不经济的技术路线。

3)HJT 效率可达 23%-24%,工序少、可实现量产,目前已经有松下、 晋能、中智、钧石等企业布局。但是其设备贵、投资成本高,成为阻 碍其大规模产业化的一点。

4)TOPCon 背面收光较差,量产难度很高,目前有布局的企业包括:LG、REC、中来等。

5)IBC 效率最高,可以达到 23.5%-24.5%,技术难度极高,设备投资 高,成本高,国内尚未实现量产,目前布局的企业包括 LG、中来、 sunpower。

从以上的对比来看,PERC 和 HJT 技术将是未来电源电池技术的 发力方向,也是目前企业产能重点布局的地方。

传统电源电池的生产工艺。目前常规的电池是 P 型电池。传统的 电池生产流程,包括从硅片出发经历清洗制绒、扩散制结、刻蚀、去 除磷硅玻璃、PECVD 镀反射膜、丝网印刷、烘干烧结、分类检测等 工艺,完成电池的制造。

PERC 电池工艺先容。与常规单晶电池工艺相比,PERC 单晶电 池主要增加了背面钝化和激光打孔两道工艺。背面钝化工艺在硅片背面沉积三氧化二铝和氮化硅,对硅片背面进行钝化。三氧化二铝由于 具备较高的电荷密度,可以对 P 型表面提供良好的钝化;氮化硅主要作用是保护背部钝化膜,并保证电池背面的光学性能。激光打孔工艺是利用一定脉冲宽度的激光去除部分覆盖在电池背面的钝化层和氮化硅覆盖层,以使丝网印刷的铝浆可以与电池背面的硅片形成有效接 触,从而使光生电流可以通过 Al 背场导出。


HJT 电池结构。HJT 电池以 N 型单晶硅(c-Si)为衬底光吸取区, 经过制绒清洗后,其正面依次沉积厚度为 5-10nm 的本征非晶硅薄膜 (i-a-Si:H)和掺杂的 P 型非晶硅(p-a-Si:H),和硅衬底形成 p-n 异质结。硅片的背面又通过沉积厚度为 5-10nm 的本征非晶硅薄膜(i-a-Si:H)和 掺杂的 N 型非晶硅(n-a-Si:H)形成背表面场。最后电池的两面沉积 TCO(透明氧化物导电薄膜),然后用丝网印刷的方法在 TCO 上制作 Ag 电极。


HJT 电池工艺先容。HJT 电池工艺主要包括制绒、非晶硅沉积、TCO 沉积、丝网印刷。非晶硅沉积主要使用 PECVD 方法。TCO 薄 膜沉积目前有两种方法:RPD(反应等离子体沉积)和 PVD(物理化学 气象沉积)。住友重工拥有 RPD 的专利,而 PVD 技术发展成熟,提 供给设备的厂家较多。


大家认为电池技术迭代是促进行业降本增效的动力。PERC 技术成熟、设备国产化率高,叠加 SE(选择性发射极)进一步提升效率,预计到 2020 年前依然是高效电池扩产的主流技术。N 型电池是未来高效电池的发展方向,其中 N-PERT 技术与双面 PERC 电池对不性价比不明显,TOPcon 量产难度高,而 IBC 技术虽然转换效率较高,但是未有量产实绩,HJT 由于工序少、国内已有企业量产,成为高效电池未来的发展方向,但是其目前的阻碍是设备投资较贵。从以上的对比来看,PERC 和 HJT 技术将是未来电源电池发展的主要方向,也是企业重点进行产能布局的地方。大家认为在 PERC 和 HJT 技术布局的设备企业最终将走出来,成为成长性的企业。

二、PERC 产能快速扩充,带来电池设备企业高速增长

1、市场空间:PERC 大量扩产,带来订单

高效电池产能依然处于紧平衡的状态。电源要实现平价上网,要电源各个环节的降本增效,主要通过各个环节的技术创新进步。在电池片环节,大家认为高效电池是未来的方向,目前电源高效电池主流技术包括 PERC 和 N 型技术。

大家来观察高效电池是否能满足下游的需求。以 2018 年来看,PERC+N 型合计产能为 72GW,不能满足全球 103GW 的装机需求。到 2020年 PERC+N 型合计产能为 132GW,依然处于一个紧平衡的状态。如果按照 2021 年,中国实现平价上网,全球电源新增装机有望达到 200GW,高效电池产能远远不能满足需求,未来 PERC+N 型的产能会持续扩充中。

PERC 由于只需要在传统电池工艺基础上增加两个工序即可提升效率,升级方便,是目前高效电池的主流技术。国内以通威、爱旭、隆基等电池片龙头企业依然在大幅度扩产 PERC 产能。2020 年前 PERC 依然是电池产能的扩产主流。

参考隆基宁夏乐叶年产 5GW 的 PERC 电池项目设备工具购置费 用明细。大家可以看到 1GW 的 PERC 电池需要的设备投资额大约为 4.97 亿元,其中工艺设备为 3.53 亿元,检测设备为 0.26 亿元,自动 化设备 1.08 亿元。单独来看,背钝化投资额最大,1GW 投资额为 1.08 亿元;管式 PECVD 第二,1GW 需要设备数量为 11 台,投资额 0.46 亿元;制绒 1GW 需要设备 5 台,投资额 0.34 亿元;印刷线 1G 需要 设备 5 台,投资额为 0.58 亿元。其他设备包括扩散、激光掺杂、刻 蚀、退火、激光开槽、印刷线、烧结炉等。

2019-2021 年 PERC 电池设备累计市场空间为 315 亿元。参考宁夏隆基乐叶年产 5GW 的 PERC 电池项目设备工具购置费用明细,暂不考虑设备降价的因素,测算得出到 2019-2021 年 PERC 电池设备累计市场空间为 315 亿元。其中工艺设备市场空间为 221 亿元,检测设备市场空间为 16 亿元,自动化设备市场空间为 63 亿元。

具体到细分设备,2019-2021 年市场空间:制绒设备 21.4 亿元、扩散设备 13.9 亿元、刻蚀设备 9.5 亿元,退火设备 13.9 亿元,背钝化设备 63 亿元、PECVD 设备 28.4 亿元、印刷线 36.5 亿元、激光开槽设备 10.7 亿元、激光掺杂设备 10.1 亿元。

2、PERC 电池设备企业国内竞争力强,预计未来设备格局 将趋于稳定

目前国内设备企业在各个 PERC 电池设备都具备了竞争力,与国外企业的技术相比不相上下甚至超过。下面对重点设备进行先容。

1)制绒设备

制绒是利用碱对单晶硅表面的各向异性腐蚀,工业生产中一般采 用成本较低的氢氧化钠或氢氧化钾稀溶液来制备绒面。利用 Si 在稀 NaOH 溶液中的各向异性腐蚀,在硅片表面形成 3-6 微米的金字塔结 构。理想的绒面效果:金字塔大小均匀,覆盖整个表面,相邻金字塔之间没有空隙,具有较低的表面反射率。单晶硅的绒面制备,能够有效地提高电池转换效率,由于市场的变化,对绒面质量的要求也变的越来越高。如何做出高质量的绒面,不仅仅是工艺技术的问题,还需要与优异的设备进行配合,而设备的相关性能也决定了工艺的效果。目前制绒设备技术指标控制严格的包括:工艺温度、溶液均匀性、产能等。为了保证反应条件的一致性,温控精度要在±1 ℃;溶液均匀性和产能也是重要的考察点。目前国内外的设备厂家包括 RENA、施密德、捷佳伟创、晶洲装备等。国内以捷佳伟创为代表的设备企业在产能、控温精度、自动配补液精度等方面的性能已经达到世界先进水平。


2)扩散设备

扩散主要是电池片制 PN 结的过程,扩散工艺的好坏直接影响电 池片效率的多少。扩散的方法包括:三氯氧磷(POCl3)液态源扩散、 喷涂磷酸水溶液后链式扩散、丝网印刷磷浆料后链式扩散。目前国内 多采用第一种方法:三氯氧磷(POCl3)液态源扩散,其具有稳定、可 控性强等优点。POCl3 液态分子在 N2 载气的携带下进入炉管,在 高温下经过一系列化学反应磷原子被置换。POCl3 在高温下(>600℃) 分解生成五氯化磷(PCl5)和五氧化二磷(P2O5),POCl3 分解产生的 P2O5 淀积在硅片表面,P2O5 与硅反应生成 SiO2 和磷原子,并在硅 片表面形成一层磷-硅玻璃,然后磷原子再向硅中进行扩散。扩散设 备的核心技术指标是扩散方阻均匀性,其他指标包括控温精度和稳定 性、工艺时间等。扩散炉的提供厂家包括 Tempress、Centrotherm、捷 佳伟创、丰盛装备、北方华创、电科 48 所等。

3)钝化和 PECVD 设备

传统 PECVD 工艺主要是镀反射膜:制作减少硅片表面反射的 氮化硅薄膜。高效 PERC 电池工艺中增加了背面钝化工艺,背面钝化 工艺在硅片背面沉积三氧化二铝和氮化硅,对硅片背面进行钝化。

目前 PERC 电池中钝化工艺包括两种方式:一种是使用 PECVD (等离子体化学气相沉积)设备一次性完成三氧化二铝和氮化硅膜的 层叠;二是使用 ALD(原子层沉积)设备完成三氧化二铝镀膜;PECVD 完成氮化硅镀膜。ALD 工艺过程中,将不同的反应前驱物以气体脉 冲的形式交替送入反应室中,因此并非一个连续的工艺过程。相对于 传统的沉积工艺而言,ALD 在膜层的均匀性、阶梯覆盖率以及厚度 控制等方面都具有明显的优势。

ALD(原子层沉积)设备独立完成三氧化二铝镀膜,ALD 镀膜 具有低温沉积、速度慢、膜质好等优点,但是稳定性待检验;设备厂 家包括:solay tec、理想必威、江苏微导等。

PECVD 分为板式 PECVD 和管式 PECVD。板式 PECVD 钝化膜 生长及氮化硅覆膜集成一体,设备及工艺相对稳定,市场暂时领先, Meyer Burger 企业优势突出。

管式 PECVD:用石英管作为沉积腔室,使用电阻炉作为加热体, 将一个可以放置多片硅片的石墨舟插进石英管中进行沉积。其膜质较好,有增加氮化硅提升钝化效果潜力,少量试产,损伤及绕镀现象待 检验,设备厂家包括 Centrotherm、捷佳伟创、丰盛装备。

4)丝网印刷

丝网印刷设备主要是依次完成背场、背电极、正栅线电极的制作。一条印刷线一般包括 3 套印刷机,分别是背电极印刷、铝背场印刷、 正电极印刷,如果有二次印刷,添加 4 号印刷机,在第一层浆料基础 上,相同位置进行第二次印刷,实现更窄、更高导线的印刷。目前丝 网印刷机的厂家包括 Baccini、迈为股份、科隆威等。

5) 激光开槽&激光掺杂设备

激光开槽设备主要用在 PERC 电池的激光开槽,利用一定脉冲宽 度的激光在去除部分覆盖在电池背面的钝化层和 SiNx 覆盖层,以使 丝网印刷的铝浆可以与电池背面的硅片形成有效接触,从而使光生电 流可以通过 Al 层导出。

SE(选择性发射极)中使用到激光掺杂设备,是采用扩散时产生 的磷硅玻璃层作为掺杂源进行激光扫描,形成重掺杂区。

目前激光开槽和激光掺杂的设备提供商包括帝尔激光、大族激光、 迈为股份。

PERC 电池设备国产化率高。目前国内 P 型电池设备国产化率较 高,除了技术要求极高的板式 PECVD、以及国外性价较高的快速烧 结炉需要进口外,其他国内设备厂家已经具有很强的竞争力,在下游 客户降本增效的需求下,市场占有率持续提高。

根据通威的公告:通威合肥光能二期 2.3GW 高效晶硅电池片 项目,在前期成都一期项目、合肥技改项目大量引入了国产设备免费 试用,如:印刷线试用迈为、科隆威设备,PECVD、制绒工序试用 捷佳创设备。在经过一段时间验证国产设备可靠性后,为充分降低投资成本、提高收益,企业在招标中大量选购国产设备,“合肥光能 二期 2.3GW 高效晶硅电池片项目”原主要设备约 90%需要进口,现 该比例已降至约 20%。

目前国内设备都取得了快速的进步,市场占有率快速提升,都在 各自的优势领域占据了较高的市场占有率(50%以上):捷佳伟创在 制绒、扩散、刻蚀、PECVD 等设备领域;迈为股份在丝网印刷设备;帝尔激光在激光掺杂、激光开槽设备。这些设备企业的客户基本覆盖 了下游的主流电池企业。随着 PERC 产能的陆续投建,这些企业都获 得了大量的设备订单,获得了更快的成长。

三、HJT 产业化和设备国产化加速推进

1、HJT 企业加大布局,加速产业化

HJT 电池与传统电池相比具有工艺相对简单、无 PID 现象、低温 制造工艺、高效率(P 型单晶硅电池高 1-2%)、高稳定性、可向薄型化发展等优点,成为未来高效电池的发展方向,国内企业持续发力 HJT 电池,使得 HJT 电池加速产业化。

①结构对称、工艺简单、设备较少。HJT 电池是在单晶硅片的两面分 别沉积本征层、掺杂层和 TCO 以及双面印刷电极。其结构对称、工 艺相对简单。

②低温制造工艺。HJT 电池采用硅基薄膜工艺形成 p-n 结发射区,制 程中的最高温度就是非晶硅薄膜的形成温度(200℃),避免了传统晶体 硅电池形成 p-n 结的高温(950℃)。可以降低能耗、减少对硅片的热损 伤。

③获得较高的转换效率。HJT 电池中的本征薄膜能有效钝化晶体硅和 掺杂非晶硅的界面缺陷,形成较高的开路电压。

④由于电池上表面为 TCO 导电玻璃,电荷不会在电池表面的 TCO 上 产生极化现象,PID 现象(电势诱导衰减)。

HJT 电池由于其较高的转换效率,工序少以及已经有量产实绩, 成为下一代高效电池的主要发展方向。但是其目前的阻碍主要在于工艺要求严格、需要低温组件封装工艺、设备投资高、透明导电薄膜成 本高。


HJT 量产的难度。HJT 的优势明显,工艺步骤简单、转换效率 高、发电性能优异,关键在于如何扩大产业化,在成本上提升竞争力。

HJT 的性价比主要通过成本和转换效率的对比。PERC 转换效率 达到 22%,HJT 效率可达 23%-24%,HJT 相比 PERC 在转换效率上 有1-2%的提升。根据目前情况来看,HJT的成本与PERC相比在15~30% 就有竞争优势。

对东方日升 2.5GW 的建设项目进行分析,其中占比较高的包括 原材料和制造费用,原材料中占比较大的包括硅片、银浆等。则要降 低 HJT 的成本,包括降低原材料成本和制造费用,主要途径包括硅 片薄片化、降低银浆、BOM 材料国产化、设备成本降低等。

降低银浆包括:降低低温银浆的用量或者成本,国产低温银浆有望快速应用。部分厂商尝试了其他金属化的技术,包括赛昂的基于铜 电镀技术进行改进的电镀技术、MeyerBurger 的 SmartWire 技术。

设备方面,根据晋能先容,其第一条线投资成本为 2 亿元/100MW (20亿元/1GW),第二条线降低到了0.9亿元/100MW(9亿元/1GW), 未来的目标是降至 0.4 亿元/100MW(4 亿元/1GW)。设备未来的投资 额有望快速向 PERC 靠近,主要靠国产设备的使用以及成本降低。

国内已有量产实绩,企业加大布局。目前 HJT 量产的以国外松下/ 三洋最为成熟,已经有 1GW 的量产实绩,而国内在 2018 年的实际产 能为 850MW,多为企业前期规划建设的 1、2 条线。国内福建钧石与 松下合作,目前有 1000MW 的产能;通威一期建设产能 200MW,2019 年 6 月份实现了第一片的 HJT 电池片下线。中智实现了 2000 MW 的 产能。而从规划来看,国内企业呈现出较大的信心,目前已经规划了 33.3GW 的产能,国内发展 HJT 电池的企业呈现出资本投入大,有新 玩家出现,而技术通过合作和研发解决,主要是 HJT 目前处于产业 化初期,企业都在同一起跑线,新进入者希翼在这领域实现弯道超车。

2、HJT 电池设备市场空间大,设备国产化加速推进

HJT 电池设备投资成本高。HJT 的投资成本较高,根据东方日 升 2.5GW 高效光能电池的项目投资来看,其设备总的投资额为 25 亿元,单 GW 投资额为 10 亿元,远高于 PERC 的设备投资额。按照 数量来看,单 GW 都需要配备 10 台设备。按照不同设备类型来看, 非晶硅沉积设备投资额最大,单 GW 投资额为 4 亿元;其次为 TCO (透明氧化物导电薄膜)沉积设备,单 GW 投资额为 2.75 亿元。而 从制绒和印刷来看,单台设备的价值量与 PERC 的设备价值量接近, 其中丝网印刷略高。

HJT 设备市场空间大。HJT 设备市场空间合计达 333 亿元,超 过 PERC 三年累计 315 亿元的市场,HJT 有望为设备企业带来一个与 全新的市场。分设备来看,非晶硅沉积设备市场空间为 133.2 亿元, TCO 沉积设备市场空间为 91.6 亿元,丝网印刷设备市场空间为 58.3 亿元,制绒设备市场空间为 25 亿元。

HJT 电池设备以国外为主,国产企业加速国产化。HJT 电池的 生产流程包括制绒、非晶硅薄膜沉积、TCO(透明氧化物导电薄膜) 沉积、丝网印刷四步。对各个环节的设备国产化状况进行分析。

①HJT 的制绒和丝网印刷与 PERC 技术相差不当。

②非晶硅薄膜沉积主要使用 PECVD(离子体增强化学气相淀积) 方法,目前国外主流厂家为 Meyer Burge。国内厂家包括理想、钧石 必威、迈为股份。其中理想万里晖已经实现了对客户的出货,钧石能 源已经实现了在自身生产线上的应用。

目前主要使用的管式 PECVD 设备,用石英管作为沉积腔室,使 用电阻炉作为加热体,将一个可以放置多片硅片的石墨舟插进石英管 中进行沉积。PECVD 主要由工艺管及电阻加热炉、净化推舟系统、 气路系统、电气控制系统、计算机控制系统、真空系统 6 大部分组成。PECVD 技术原理是利用低温等离子体作能量源,样品置于低气压下 辉光放电的阴极上,利用辉光放电(或另加发热体)使样品升温到预定 的温度,然后通入适量的反应气体,气体经一系列化学反应和等离子 体反应,在样品表面形成固态薄膜。PECVD 方法区别于其他 CVD 方 法的特点在于等离子体中含有大量高能量的电子,它们可以提供化学气相沉积过程所需的激活能。电子与气相分子的碰撞可以促进气体分子的分解、化合、激发和电离过程,生成活性很高的各种化学基团, 因而显著降低 CVD 薄膜沉积的温度范围,使得原来需要在高温下才 能进行的 CVD 过程得以在低温下实现。成膜过程在真空中进行,大 约在 5~500Pa 范围内。

③TCO 沉积包括 RPD(反应等离子体沉积)和 PVD(物理化学 气象沉积)两种方法。

RPD(反应等离子体沉积)技术主要由日本住友重工掌握,其设 备匹配自己生产的 IWO(氧化铟掺钨)靶材制备 IWO 透明导电薄膜, 其采用蒸发镀膜对衬底轰击较小,IWO 薄膜电学性能明显优于 PVD 制备的 ITO 薄膜。RPD 制备下的异质结电池总体比 PVD 约有 0.5~1%的效率优势。松下企业采用的就是 RPD 工艺。住友重工持有 RPD 设 备与 IWO 靶材两项专利技术,限制了该技术的发展。国内捷佳伟创 在获得住友重工授权以后进行研发制造,并实现了在通威产线上的应 用。

目前用的较多的是 PVD 工艺(物理化学气象沉积),采用直流磁 控溅射制备,其制备的一般是 ITO 薄膜,PVD 带来了离子高轰击, 损伤较大,ITO 薄膜的电学性能差于 IWO 薄膜。但是 PVD 技术较为 成熟,而且设备相对便宜。最近出现了用 PVD 制备新种类的 TCO 薄 膜,拉近了两者的技术差距。大部分设备厂家也是采用此技术。国外 主流厂家为 Meyer Burger。国内包括钧石必威、迈为股份、红太阳等。

总体来看,RPD 的在 TCO 沉积上优于 PVD 技术,可以提高转 换效率,从长远来看是未来的趋势,但是需要解决成本和技术专利的 问题。目前来看,PVD 可能使用较为广泛。

四、投资建议

电源平价上网带来电源行业新一轮向上周期,平价上网要求行业降本增效,电源电池设备在促进技术进步发挥中坚力量。PERC 电池新建产能有望持续维持高位,国产化设备企业有望获得大量订单。HJT电池产业化加快,国产设备逐步布局,HJT 电池将为设备提供翻倍以上的设备市场空间。

 
 

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