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光伏 產業動態

N型高效電池技術進展與展望

September 15, 2021 Derek Zhao

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近年來,儘管業內一直認為PERC電池提效空間有限,但是PERC的量產效率依然保持著每年約0.4-0.5%的提效速度,部分電池廠商聲稱PERC量產效率已實現23.5%且仍有提效後招。PERC電池的高效率,以及近2年來掀起的大尺寸浪潮,讓PERC又出現一波巨量擴產,今年年底前PERC大尺寸新增產能將超過200GW,PERC的過渡擴張也極大地壓縮了其他電池技術的發展空間。

儘管PERC仍然是未來2-3年甚至5年內主流的電池技術,但是PERC電池越來越迫近其理論極限的事實終究說明電池技術正面臨新的技術拐點。目前關於PERC後的下一代電池技術討論主要集中在N型TOPCon 和HJT 上,兩種電池雖然不是非此即彼的關係,但是電池效率提升和成本降低的進步速度將決定二者誰將率先佔據PERC後產能擴張的高點。

TOPCon

TOPCon產能與效率現狀

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Source: PV InfoLink技術趨勢調研報告2021年8月

TOPCon 因為其與PERC均為高溫工藝且工序相容性較高,該技術更受傳統電池廠商的青睞,今年許多新增PERC產能都做出預留TOPCon介面以備後續升級。儘管眾多企業宣布佈局TOPCon 但是受制於技術路線的困擾,下半年除了天合,尚德,BYD計畫邁向量產外,以及隆基銀川,通威眉山宣佈GW級TOPCon 產能籌備中,實際落地的產能仍較少。

目前TOPCon 主流電池量產效率約23.7-23.8%,部分電池廠商宣佈已實現24.0%+,但是PERC電池效率提升明顯,TOPCon效率仍然未拉開與PERC電池的差距。

TOPCon 主要挑戰

硼擴

儘管硼擴與磷擴工藝以及設備相似度極高,但是因為硼在矽中的固溶度較低,導致B擴相較常規的磷擴較難,實際硼擴散的溫度需要達到900-1100℃,同時三溴化硼擴散的副產物對石英器件損傷嚴重。目前越來越多的廠商開始使用三氯化硼作為硼源,雖然三氯化硼的副產物對石英器件基本無損傷,但受制於B-CL鍵能較大,擴散均勻性又略差於三溴化硼

另外,目前SE暫時又未能應用於TOPCon 正面發射極,方阻的提升空間相對SE+PERC較小,大大影響了短路電流的提升和接觸電阻的降低。

多晶矽鈍化層製備

TOPCon 和PERC最大的不同即為背面引入了隧穿氧化層+摻雜薄多晶矽層, 當前主流的工藝為通過熱氧法生長約1.5-2nm的隧穿氧化層,同時通過LPCVD方法沉積150-200nm的薄多晶矽層,再輔之磷擴進行摻雜,但是該技術路線生產效率低且伴隨繞鍍的問題導致良率偏低,目前採用此工藝路線的TOPCon 良率也僅為90-95%,與PERC 98%的良率相差較大。針對LPCVD良率提升困難的現狀,越來越多的設備廠商開始嘗試新的技術路線,如PECVD/PEALD/PVD,儘管新技術路線的設備陸續推向市場,但新技術路線的設備仍缺量產能力驗證,TOPCon 技術路線的爭論仍將持續為熱點話題。

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金屬化

儘管TOPCon與PERC均採用高溫燒結型銀漿,但是TOPCon正反面均使用銀漿,典型M6 TOPCon 電池使用銀漿約130mg相較PERC M6電池高出約60mg, 同時較低的良率也制約著成本的降低,當前TOPCon 非矽成本仍與PERC有著約0.07-0.12元/W的差距。TOPCon雙面均使用銀漿決定了其金屬化成本不可能低於PERC, TOPCon 唯有進一步提升效率和良率從而縮減與PERC的單瓦差距。

HJT

HJT產能與效率現狀

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Source: PV InfoLink技術趨勢調研報告_2021年8月

HJT憑其較高的效率極限以及工藝相對簡單,迅速的吸引了資本市場的目光,近期隨著通威1GW HJT項目的落地,華晟二期2GW的開工,JA計畫引進HJT中試線,愛康產能的擴張以及金剛玻璃和華潤電力佈局HJT等相關HJT利好消息的爆出,讓HJT的討論又進入高漲。截至目前,HJT規劃產能已超過70GW,但是受制於較高的設備投資成本以及生產製造成本,實際落地的HJT產能仍較低且2021年擴產落地仍較緩慢。

HJT 因為沒有良率問題的困擾,當前技術路線已經較明確,PECVD法其中主要以RFCVD因為技術成熟度較高且鍍膜均勻性較好已經成為製備非晶矽層的主流工藝路線,熱絲CVD因為其沉積速率高和對矽片鈍化效果好的優勢,部分廠商也在開始嘗試該路線;TCO製備環節,磁控濺射PVD法因為工藝簡單,膜層均勻易控制且靶材利用率高製造成本低等優勢已然成為製備TCO的主流工藝,而反應等離子體沉積RPD法因為憑藉沉積的IWO光電性能更優異的優勢,部分設備廠商一直也未放棄該路線的研究。總體來說,PECVD+PVD已然成為HJT最主流的路線組合。

當前,HJT生產效率已完全步入24%+時代,且後續提效路線較多如SMBB,微晶矽替代非晶矽等,新的提效路線設備依賴程度均較高,隨著設備的不斷升級,設備廠商和製造商均聲稱2022年HJT有望實現25.00%+的量產效率。

HJT 主要挑戰

設備投資

隨著HJT設備國產化的普及,HJT投資成本已經降到4.5億元/GW左右甚至4億元/GW以內,但是相較PERC的1.5-2億元/GW和TOPCon 的2-2.5億元/GW仍高出較多,高設備投資成本不僅影響前期投入積極性,也意味著後期非矽成本中折舊更高,另外,目前HJT生產商開工率均不足,導致HJT的折舊成本高出PERC至少0.03元/W.

製造成本

金屬化

區別於PERC和TOPCon 均使用高溫燒結型銀漿,HJT使用的是低溫固化型銀漿,受制於低溫固化銀漿的成熟度較低導致的銷售價格較高,同時,低溫銀漿因為其較高的電阻率和HJT雙面均需使用銀漿導致銀漿單耗相較PERC高出較多, 如HJT M6使用銀漿約200mg, 高出PERC M6使用銀漿量約130mg, 按照當前的HJT銀漿使用量以及高HJT漿料售價,金屬化環節HJT成本高出PERC約0.12元/W。

為了進一步降低金屬化環節的成本,新的技術路線如銀包銅和銅電鍍被行業討論研究最多,其中銅電鍍因為需要額外近1.8億/GW的投入以及良率,環保的考慮,目前進展仍較緩;銀包銅已有廠商完成試驗目前已進入可靠性階段,預期2021Q4小批量量產。關於銀包銅,目前傳聞若銅占比30%左右電池片效率相當,但成本方面仍不夠有競爭力,但若銅占比40%以上,電池片效率可能會出現0.1-0.3%的下降,且最大的問題是銅外露產生的可靠性問題。

含銦靶材

HJT中因為使用含銦靶材,TCO環節產生額額外非矽成本約0.05元/W,儘管國產靶材陸續實現進口靶材的替代,但是因為金屬銦為稀有金屬,未來如果HJT電池出現爆發性增長,金屬銦的價格將出現井噴,近日已傳出因為光伏電池企業銦的催生需求,9月份銦價相比8月份已上漲了約60%,如何降低銦的使用也是HJT降本的一大核心。目前提出的省銦技術路線為AZO替代以及銦的回收利用,目前因為HJT產能尚低且多數製造商在產能爬坡中,省銦環節的工作仍無實質性進展。

目前新增的HJT產能均以182/210半片工藝進行,因為鐳射切片會對HJT電池結構進行破壞,即要求半片工藝在HJT所有工序之前進行,同時,HJT生產商也提出吸雜工藝對HJT電池效率提升明顯,關於吸雜工藝以及大矽片半片化的落點問題亦將會成為今明兩年的熱點話題。

N型高效電池技術展望

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儘管N型高效電池仍有較多待解決的問題,但是N型電池先天的高轉換效率、低衰減和更低LCOE潛力決定其勢必成為繼PERC後下一代電池主流技術。目前N型電池不管是TOPCon 還是HJT都取得了高於PERC的效率,而成本因素是制約N型能否快速增長的關鍵。隨著越來越多的設備和製造廠商加入對TOPCon和HJT電池的研究,TOPCon 良率問題有望通過新的技術路線如PECVD或PVD解決;近年來HJT通過引入SMBB和銀包銅亦可實現與PERC非矽成本相差0.2元/W,屆時TOPCon 和HJT將更有競爭力,產能的擴張將加速落地。

目前預期TOPCon、HJT在近1-3年內仍是呈現產能、產量都持續擴張的情勢,但TOPCon能較多的接軌原有的PERC產能,在擴產進展上相比HJT有優勢,短期內TOPCon產能、產量發展速度優於HJT。

成本是制約HJT發展的最核心因素,待銀包銅或銅電鍍技術驗證成熟後,HJT GW級別的擴張將越來越多,預期HJT仍需2-3年的降本(省矽省銦省銀)沉澱,2023年後實際產出才能出現較大規模。

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