電力設備與新能源行業(yè)：從基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)透析光伏晶硅高效電池發(fā)展

CINDASECURITIESwuhao@請閱讀最后一頁免責聲明及信息披露http://ww從基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)透析光伏晶硅高效電池發(fā)展光伏電池片技術(shù)進步的核心是增效降本。太陽能電池基礎(chǔ)工作原理是半導體的光生伏特效應，當物體受到光照時，物體內(nèi)的電荷分布狀態(tài)變化而產(chǎn)生電動勢和電流的一種效應。在光電轉(zhuǎn)換過程中不可避免的會發(fā)生效率損失，主要包括光學損失、電學損失及電阻損失，電池技術(shù)不斷進步和探索的重要目標之一就在于降低此類物理化學損失。為此，發(fā)展高效電池技術(shù)的一系列關(guān)鍵工藝包括拋光、制絨、擴散、鈍化、介質(zhì)開膜和金屬化技術(shù)等應運而生。降本增效是光伏電池技術(shù)發(fā)展永恒的主旋律，近幾十年產(chǎn)業(yè)不斷探索更高效更具性價比的電池技術(shù)，光伏電池歷經(jīng)多次迭代，如今由P型PERC時代逐步邁向由發(fā)展高效電池可提升光伏組件實際功率，進而攤薄光伏系統(tǒng)成本。高效組件轉(zhuǎn)換效率更高、溫度系數(shù)更低且雙面發(fā)電效率能力更加出色，與同等規(guī)格的常規(guī)組件相比，實際輸出功率提升明顯。組件功率的提升可以攤薄光伏電站的衰減上均具備優(yōu)勢，增益光伏電站全生命周期發(fā)電量，降低光伏電池全生命周期度電成本。根據(jù)我們的敏感性分析測算，當首年衰減每降低0.2%，次年衰減N型電池技術(shù)發(fā)展迅速，產(chǎn)業(yè)化浪潮已至。電池片技術(shù)快速進步，手段如0BB、銀包銅、無銦/低銦靶材技術(shù)正在逐步導入，未來放量可期。BC電池正面無遮擋，最大可能性降低正面光學損失，造型美觀，特別適合于分布快速發(fā)展期，降本增效潛力突出。投產(chǎn)產(chǎn)能與節(jié)奏位居行業(yè)前列的企業(yè)，推薦晶科能源、天合光能、晶澳科技、通威股份；建議關(guān)注隆基綠能、愛旭股份。另一方面，建議關(guān)注受益于新型電池技術(shù)，具備量利向上邏輯的核心輔材及設備企業(yè)，推薦聚和材料、捷佳偉請閱讀最后一頁免責聲明及信息披露http:// 5 6 6 7 7 8 9 9 請閱讀最后一頁免責聲明及信息披露htt 6 6 7 8 9 請閱讀最后一頁免責聲明及信息披露http://www目前光伏晶硅制造產(chǎn)業(yè)鏈重點技術(shù)突破集中在電池片環(huán)節(jié)，本篇報告從光伏電池片的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)原理出發(fā)分析了限制光伏電池片轉(zhuǎn)換效率提升的核心原因，并回顧了目前主流技術(shù)路線及發(fā)展?jié)摿^大的技術(shù)路線的發(fā)展歷史，從提升轉(zhuǎn)換效率的角度，詳解了主流技術(shù)路線的關(guān)鍵工藝。報告從模擬測算的角度，詳細分析了提升轉(zhuǎn)換效率對下游光伏電站業(yè)主方帶來的實際收益，同時重點介紹了目前行業(yè)正在快速發(fā)展并產(chǎn)業(yè)化的新型技術(shù)路線發(fā)展情況。請閱讀最后一頁免責聲明及信息披露http://www一、光伏電池工藝技術(shù)原理及發(fā)展歷史太陽能電池工作原理的基礎(chǔ)是半導體的光生伏特效應，當物體受到光照時，物體內(nèi)的電荷分布狀態(tài)發(fā)生變化而產(chǎn)生電動勢和電流的一種效應。晶體硅太陽能電池本質(zhì)上就是一個大照下生產(chǎn)的光生載流子（電子-空穴對）進行分離，分別被正面和背面的金屬電極收集。根發(fā)中心影響電池性能的參數(shù)主要有開路電壓、短路電流、填充因子等。根據(jù)丁健寧等《高效晶體請閱讀最后一頁免責聲明及信息披露http://wwVM為最佳工作電壓，RM為最佳負載電阻，PM為最大輸出功率。P率損失的主要原因有：2）能量大于電池吸收層禁帶寬度的光子被吸收，產(chǎn)生的電子-空穴分別被激發(fā)到導帶和價4）半導體材料與光生載流子運輸過程金屬電極接觸的非歐姆接觸引起電壓降損；足以提供足夠的能量來產(chǎn)生自由載流子。這部分光子占比大約30%，電池無法利用。而短請閱讀最后一頁免責聲明及信息披露http://w光學損失的另一方面還來自晶體硅太陽能電池的結(jié)構(gòu)和工藝。首先，對于晶體硅而言，硅間接帶隙半導體材料，光吸收系數(shù)相對較低。長波長光入射進硅片不能被充分吸收，導致大載流子的復合概率。復合陷阱濃度越高，陷阱能級越靠近禁帶的中央陷阱的俘獲截面積就越大，載流子的運動速度越快,被陷阱俘獲的數(shù)量就會越多，從而陷阱輔助復合的速率越大,載流子壽命越短。硅片體內(nèi)由于存在摻雜、雜質(zhì)、缺陷等因素,光生少數(shù)載流子在硅片內(nèi)運動時,很容易被復合掉。另外，半導體材料表面高濃度的缺陷，稱之為表面態(tài)。電子和空穴會通過表面這些缺陷復合,稱為表面復合或者界面復合。復合損失主要有輻射復合、俄歇復合的主要方式，但對于間接帶隙的硅來說，輻射復合需要聲子的參與，所以其輻射復合俄歇復合：當電子與空穴復合時，復合產(chǎn)生的能量會傳遞給另外一個電子或空穴，使其獲格中,這就是所謂的俄歇復合。俄歇復合速率與載流子的濃度有關(guān)，是高摻雜濃度區(qū)域（發(fā)穴通過禁帶中的陷阱能級進行復合，導帶中的電子可通過這些復合中心躍遷至價帶，這就請閱讀最后一頁免責聲明及信息披露http://ww焊接帶電阻組成。串聯(lián)電阻的高低與電池的填充因子有強相關(guān)性,當串聯(lián)電阻過高時，電池由于發(fā)射極中的電子能夠通過表面態(tài)與基區(qū)甚至是背面電極的空穴進行復合，產(chǎn)生電流通道，導致電池的局部漏電。不恰當?shù)墓に囈矔е虏⒙?lián)電阻的形成，包括邊緣漏電、邊緣在電池片生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)，常會用到拋光、制絨、擴散、鈍化、介質(zhì)開膜和金屬化技術(shù)等工藝來降低光伏電池片的光學、電學、電阻損能電池工藝中，硅片從頭到尾需經(jīng)過多道不同的清洗工藝。切割硅錠形成的硅片，其損傷面。為了提升制備出絨面的均勻性或者控制絨面尺寸的大小，需要在堿制絨過程中使用堿請閱讀最后一頁免責聲明及信息披露http://方式在硅襯底表面制備一層均勻的摻雜層形成的。擴散摻雜濃度分布一般呈余誤差分布和高斯分布，即硅片表面的摻雜濃度較高，隨著深度增加，濃度逐漸降低。由于擴散后的硅片表面雜質(zhì)濃度很高，俄歇復合比較嚴重，為了有效降低復合，開發(fā)了兩種優(yōu)化的晶體硅發(fā)射極，一種是淺摻的均勻發(fā)射極(homogenousemitter,HE),另一種是選擇性發(fā)射極氫化氮化硅（SiNx:H）薄膜。p型晶硅電池正面除了可采用氮化硅鈍化外，二氧化硅（SiO2）由于能很好地鈍化硅片表面懸掛鍵，降低表面缺陷態(tài)密度，也已經(jīng)大規(guī)模應用于請閱讀最后一頁免責聲明及信息披露http://鋁和晶硅表面生成的氧化硅界面的交界處存在著高密度的負電荷，實現(xiàn)了場鈍化。同時氧化鋁的化學鈍化效果也非常好，通過飽和硅表面懸掛鍵（缺陷復合中心降低了界面態(tài)密度。氧化鋁鈍化膜制備技術(shù)要主要包括原子層沉積（ALD）和等離子氣相沉積（PECVD）。 介質(zhì)開膜：利用背面整面鈍化可以降低背表面復合好的電接觸。開膜的圖形對背面局部接觸影響很大。鈍化膜的開膜方法主要有激光開膜、腐蝕液開膜以及腐蝕漿料開膜等。激光開膜技術(shù)由于其較低的運營成本，已經(jīng)在量產(chǎn)上大規(guī)模使用。激光作用在鈍化膜或硅襯底上，可以使鈍化膜或硅吸收能量而發(fā)生蒸發(fā)或崩裂。激光主要采用皮秒（ps）和納秒（ns）激光，皮秒激光對硅的損傷較小，可直接作用在鈍化膜上開膜；納秒激光對硅片損傷較大，但成本相對皮秒激光低。但是隨著漿料技術(shù)的發(fā)展，納秒激光對電池表面的損傷會大大降低，對影響電池的效率較小。金屬化技術(shù)：絲網(wǎng)印刷技術(shù)（screenprinting，SP）是目前晶體硅電池的主流金屬化技術(shù)。證足夠的拉力，但又不能破壞或燒穿背面鈍化膜。Ag漿料的發(fā)展方向依然是持續(xù)降低Ag-Si的接觸電阻和提高柵線的高寬比。同時為了滿足高方阻發(fā)射極越來金屬化工藝，除了絲網(wǎng)印刷法外，還有如激光轉(zhuǎn)印、移印、噴墨、電鍍、噴霧等方法。激請閱讀最后一頁免責聲明及信息披露http://崇主要是因為只需在普通全鋁背場（AI-BSF)電池生產(chǎn)線基礎(chǔ)上增加背面鈍化膜沉積和介質(zhì)與其他高效電池和組件技術(shù)的兼容性，以及進一步提升效率的潛力。通過與多主柵、選擇濃度對太陽能電池轉(zhuǎn)換效率的影響較大,較高濃度的摻雜可以改善硅片和電極之間的歐姆接請閱讀最后一頁免責聲明及信息披露http://觸，降低電池的串聯(lián)電阻。但是在高濃度摻雜的情況下，電池的頂層摻雜濃度過高，造成俄歇復合嚴重，少子壽命也會大大降低，使得發(fā)射極區(qū)所吸收的短波長效率降低，降低短路電流。同時重摻雜表面濃度高，造成了表面復合提高，降低了開路電壓，進而影響了電池的轉(zhuǎn)換效率。為了解決均勻高濃度發(fā)射極對電池效率的限制，研究人員提出了選擇性發(fā)射極（SE)，即在金屬柵線（電極）與硅片接觸部位及其附近進行高濃度摻雜深擴散,而在電極以外的區(qū)域進行低濃度摻雜淺擴散。圖10：常規(guī)太陽能電池結(jié)構(gòu)圖（a）和選擇性發(fā)射極太陽能電池結(jié)構(gòu)圖(Al-BSF)結(jié)構(gòu)。這種背面鈍化結(jié)構(gòu)可以降低背表面的復合速率，提升背表面反射,從而提高電池正面增加光吸收可通過構(gòu)建高效的陷光結(jié)構(gòu)、優(yōu)化減反膜系、降低柵線遮光來實現(xiàn)，目的是為了使更多的光能進入硅片內(nèi)部，從而產(chǎn)生更多的電子-空穴對。而增加背面結(jié)構(gòu)的構(gòu)造主要是為了增加長波段光在電池內(nèi)部的光學路徑以實現(xiàn)對光的二次利用。PERC也有其缺點:①背面的金屬與半導體硅材料接觸處仍然存在復合，對電池效率造成損請閱讀最后一頁免責聲明及信息披露http://成了鈍化接觸結(jié)構(gòu)，為硅片的背面提供了良好的界面鈍化。該鈍化結(jié)構(gòu)可以使電子隧穿進入摻雜多晶硅層，同時阻擋空穴，降低了金屬接觸復合電流，而進入摻雜多晶硅層的電子資料來源：晶科能源官網(wǎng)，信達證券研發(fā)中心包括以下幾點:①背面全鈍化,徹底避免了背面金屬電極與硅基體材料的直接接觸,大大降低了背面復合速率，提升了開路電壓和短路電流；②背面載流子直接匯集到電極、背面全接觸區(qū)域，避免局部接觸而造成的橫向傳導電阻，降低串聯(lián)電阻，改善填充因子；③背面鈍良好的鈍化接觸既要有好的界面鈍化效果，又要能實現(xiàn)良好的電接觸，為此隧穿接觸層材料的選擇極為苛刻:①隧穿接觸層的材料本身需具有良好的界面懸掛鍵鈍化效果，如果能有電荷注入，形成電荷場鈍化效果的話會更佳,若在材料制備過程中還能有氫注入,也是非常有益的;②材料需要具有良好的隧穿效果，可以協(xié)助完成多數(shù)載流子在吸收層和摻雜層間的快速輸運。作為隧穿接觸層的材料,再通過沉積一層高濃度摻雜的多晶硅薄膜形成鈍化接觸結(jié)構(gòu)。請閱讀最后一頁免責聲明及信息披露http://溫度系數(shù)、弱光表現(xiàn)、首年衰減率等方面優(yōu)于PERC，從而可>TOPCon電池具有更優(yōu)秀的溫度系數(shù)：根據(jù)晶科能源，P型組件的溫度系數(shù)為-資料來源：晶科能源官網(wǎng)，信達證券研發(fā)中心>雙面率提升：根據(jù)晶科能源，相較于傳統(tǒng)PERC組件70%的雙面率，晶科N型TOPCon組件優(yōu)化雙面率至85%。根據(jù)理論公式計算，在請閱讀最后一頁免責聲明及信息披露http://資料來源：晶科能源官網(wǎng)，信達證券研發(fā)中心序號發(fā)電量預測結(jié)果定量對比(MWh)度電成本(＄/kWh)資料來源：晶科能源公眾號，信達證券研發(fā)中心請閱讀最后一頁免責聲明及信息披露http://合導致載流子損失，而且載流子選擇性接觸產(chǎn)生不對稱的勢壘,可以收集多數(shù)載流子，阻擋少數(shù)載流子。HJT太陽能電池技術(shù)一般涉及兩種或更多種不同的材料。根據(jù)丁健寧等《高效晶體硅太陽請閱讀最后一頁免責聲明及信息披露http://功函數(shù)，因而在吸收層表面產(chǎn)生電勢差,從而實現(xiàn)載流子收集,這種薄膜通常稱為電子和空穴薄的緩沖層，用于表面鈍化。和消光系數(shù)等電學和光學參數(shù)不同，因而為半導體器件的設計提供了更大的靈活性。由導電類型相反的兩種半導體材料形成的異質(zhì)結(jié)稱為反型異質(zhì)結(jié)，而由導電類型相同的兩種半5）光照穩(wěn)定性好：非晶硅薄膜的一大問題是由Staebler-Wronski效請閱讀最后一頁免責聲明及信息披露http://非晶硅層和摻雜非晶硅層的沉積。沉積本征a-Si:H鈍化層，通常通過等離子體增強化學氣相沉積（PECVD）或熱絲化學氣相沉積（HWCVD）。PECVD技術(shù)是借助于輝光放電等離子體使含有薄膜的氣態(tài)物質(zhì)膜材料生長的一種制備技術(shù)；熱絲化學氣相沉積（HWCVD）是利用高溫熱絲催化作用使慢快大小好好發(fā)展階段性差，只通過金屬柵線從發(fā)射極收集電流是不夠的，因此通常需要沉積導電透明氧化物性。目前常用的沉積方法有濺射法(包括磁控濺射、離子束離子束蒸發(fā)等)。濺射法的工藝穩(wěn)定性更好，制備薄膜的質(zhì)量積TCO薄膜的方法主要有兩種：RPD（異質(zhì)結(jié)電池實現(xiàn)低成本量產(chǎn)的關(guān)鍵在于設備國產(chǎn)化、提高良率和產(chǎn)能以及降低硅片、低溫用考慮對電池光學方面的影響，設計時可以更加專注于電池電性能的提高，根據(jù)丁健寧等長度要大于器件厚度，且電荷的表面復合速率要非常低，所以IBC電池通常需要采用載流請閱讀最后一頁免責聲明及信息披露http:3）si02或si0x/siNx疊層鈍化減反膜與n+層結(jié)合。在高壽命n型硅片襯底的前表面采用si02或si0x/siNx疊層鈍化減反膜與n+層結(jié)合，形成前表面場，并制備金字塔狀絨面來增強光的吸收。應，兩個摻雜區(qū)中間一般還存在一個間隙，其中發(fā)射極用來收集空穴載流子，背表面場用來捕獲電子；5）與鈍化接觸技術(shù)相結(jié)合。背面采用si02、Al02、siNx等鈍化層或疊層，并通過在鈍化層資料來源：《叉指背接觸硅太陽電池》（張偉康等信達證券研發(fā)中心2）更高的開路電壓：正面不需要考慮電池的接觸電阻問題，可以最優(yōu)化地設計前表面場和3）提升填充因子：正負電極全部在背面，可以采用較寬的金屬柵線來降低串聯(lián)電阻，從而3）背面柵線金屬化設計：IBC電池的柵線都在背面，可以更加靈活地設計柵線，采用柵線寬度加寬或者高度增加的方式，降低串聯(lián)電阻。金屬接觸區(qū)的復合通常都較大，所以需要成本難受控制，對硅片少子壽命要求高，未來還需要解決系列問題，包括制備流程長，成請閱讀最后一頁免責聲明及信息披露http:二、高效電池片降本增效優(yōu)勢明顯基準基準資料來源：CPIA，晶科能源，信達證券研發(fā)中心測算請閱讀最后一頁免責聲明及信息披露http:資料來源：CPIA，信達證券研發(fā)中心/W）資料來源：CPIA，信達證券研發(fā)中心測算高效組件擁有更好的衰減系數(shù)，在首年衰減和次年衰減上均具備優(yōu)勢，增益光伏電站全生命周期發(fā)電量，降低光伏電池全生命周期度電成本。假設常規(guī)組件首年衰減為2%，次年及以后為0.45%。通過敏感性分析，當首年衰減每降低0.2%資料來源：隆基綠能，信達證券研發(fā)中心測算請閱讀最后一頁免責聲明及信息披露http:在快速進步階段，在電池技術(shù)正面臨新的技術(shù)拐點的背景下，包括TOPCON、HJT、IBC為隨著時間的推移和技術(shù)的逐漸成熟，N型電池有望實現(xiàn)更高的量產(chǎn)電池效率，成為新一代主流電池技術(shù)。27%26%25%24%23%22%21%20%資料來源：CPIA，信達證券研發(fā)中心資料來源：光伏頭條，不同技術(shù)路線的硅基電池理論極限效率（ISFH，2019信達證券研發(fā)中心.細化主柵，減少電池表面遮擋：將主柵細化可減少電池表面遮光面積，降低遮光損失，提高電池的轉(zhuǎn)換效率。億/GW，與其他新技術(shù)路線相比投資成本更低，量產(chǎn)更具性價比。更具性價比的優(yōu)勢吸引請閱讀最后一頁免責聲明及信息披露http:02022E2023E2資料來源：集邦新能源網(wǎng)微信公眾號，信達證券研發(fā)中心公司名稱資料來源：北極星太陽能光伏網(wǎng)，弘元綠能、晶澳科技公司公告，信達證券研發(fā)中心公司作為行業(yè)內(nèi)領(lǐng)先企業(yè)，目前公司HJT電池量產(chǎn)效率已達26%，優(yōu)質(zhì)產(chǎn)線良率可達目前HJT量產(chǎn)規(guī)模相對較小，但未來空間與增速值得期待，根據(jù)集邦新能源網(wǎng)，2023年請閱讀最后一頁免責聲明及信息披露http:0資料來源：集邦新能源網(wǎng)微信公眾號，信達證券研發(fā)中心公司名稱規(guī)劃產(chǎn)能（GW）金剛光伏68865資料來源：光伏頭條微信公眾號，金剛光伏公司公告，國際能源網(wǎng)，信達證券研發(fā)中心多渠道降低成本，未來成本下降路徑清晰。我們認為目前HJT設備投資成本相對于請閱讀最后一頁免責聲明及信息披露http:資料來源：SOLARZOOM，東方日升，信達證券研發(fā)中心資料來源：SOLARZOOM，東方日升，信達證券研發(fā)中心會是晶硅電池的絕對主流，包括單面與雙面電池。設，并力爭實現(xiàn)義烏15GW年產(chǎn)能電池及配套組件項目的建成投產(chǎn)，建資料來源：隆基綠能官網(wǎng)，信達證券研發(fā)中心證券研發(fā)中心請閱讀最后一頁免責聲明及信息披露http:復合鈍化雙結(jié)電池的簡稱。該電池采用高低結(jié)，通過優(yōu)化膜層設計與沉積工藝實現(xiàn)了優(yōu)異的全域鈍化效果并降低了對光的吸收；正面引入局部的低電阻接觸層進一步提升電池效率；請閱讀最后一頁免責聲明及信息披露http:推薦晶科能源、天合光能、晶澳科技、通威股份；建議關(guān)注隆基綠能、愛旭股份。另一方面，建議關(guān)注受益于新型電池技術(shù)，具備量利向上邏輯的核心輔材及設備企業(yè)，推薦聚和材料、捷佳偉創(chuàng)，建議關(guān)注宇邦新材、邁為股份等。光伏需求不及預期：光伏需求若不及預期，將影響光伏電池的銷售情況，或?qū)е鹿井a(chǎn)新技術(shù)發(fā)展不及預期：N型電池技術(shù)發(fā)展不及預期將影響到N型產(chǎn)能過剩風險：若電池產(chǎn)能投產(chǎn)過多導致產(chǎn)能過剩，將影響電池銷售利潤和相關(guān)企業(yè)經(jīng)營請閱讀最后一頁免責聲明及信息披露http武浩，新能