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#调研纪要#光伏电池技术专家交流纪要20220615

栏目:调研纪要 作者:ZML 时间:2022-06-19 23:08:08


一、 三种电池技术潜力对比
现在为止有3种技术路线,PERC电池是占90%及以上的最主流的技术路线,TOPCon和HJT都在上升期。
最高理论效率:PERC电池是24.5%;TOPCon分成两种,一个是单面(只有背表面做多晶硅钝化)27.1%,双面TOPCon(前表面也做多晶硅)28.7%;HJT双面28.5%。
最高实验室效率:PERC是24%;TOPCon是26%,是德国4厘米的小面积实验室记录,大面积来看晶科商业化最高效率是25.4%;HJT是隆基M6商业化达到26.3%。
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一、 三种电池技术潜力对比
现在为止有3种技术路线,PERC电池是占90%及以上的最主流的技术路线,TOPConHJT都在上升期。
最高理论效率:PERC电池是24.5%;TOPCon分成两种,一个是单面(只有背表面做多晶硅钝化)27.1%,双面TOPCon(前表面也做多晶硅)28.7%;HJT双面28.5%。
最高实验室效率:PERC是24%;TOPCon是26%,是德国4厘米的小面积实验室记录,大面积来看晶科商业化最高效率是25.4%;HJT是隆基M6商业化达到26.3%。
产线名义效率(为产线自己宣传报告,可能有些因素未考虑在内):PERC是23%;TOPCon是24.5%;HJT是24.5%。根据市场上组件功率来推测,有时候说测试效率很高,但是做成组件功率不是很高。一种可能就是CTM低,还有效率虚高。我们如果从CTM=100%反推电池效率,拿M6电池72片来看,不同尺寸硅片不太一样,PERC是22.8%,TOPCon是23.71%,HJT是24.06%,其实真正反映真实从组件端观察的效率。
产线良率:TOPCon是98.5%,现在各个企业播报的差别比较大,从90-95%之间都有宣布;HJT大概98%。
工序数量:PERC是11道工序;TOPCon是12道工序;HJT是7道工序,常规是5道工序,如果做得好,加上前清洗和吸杂就是7道。
薄片适用性:PERC是160-180μm,大尺寸硅片182/210还是170-180μm。小尺寸能做到160μm;TOPCon和PERC很相似,160-180μm;HJT大规模应用150μm,做到130μm没什么问题,往120μm也有企业宣布但是挑战性比较大,但是未来机械手改进后会适应。
硅片尺寸:都是全尺寸,只是根据市场端需求。TOPCon做到210很困难,因为高温制程太多。
兼容性:TOPCon和PERC兼容性是主要部分兼容,就是加了两三台设备。HJT基本不兼容。
设备投资:PERC是1.8亿/GW,TOPCon是2.5亿/GW,HJT是3.5亿/GW。
组件价格:市面上PERC按100%,TOPCon有5%的溢价,HJT有10%溢价。
技术拓展性:现阶段双面PERC,TOPCon能产业化的是单面,我们按照严格CTM100,主要是23.7%-24%之间;双面非晶HJT大规模量产的是24.3%,反推等效效率24%左右。下一阶段HJT2.0可以到25%,3.0到25.5%。TOPCon有些企业宣称今年24.5%,明年25%,后年25.5%,从技术来讲,提高效率不是在产线上积累效率就能提高,而是必须有技术设计才有提高。TOPCon想再提高,如果只是在背表面钝化难度是比较大的,有可能双面钝化,双面钝化前表面也做要做厚,是不可能的,因为吸光太严重了,有一种设想是前表面做的很薄,导电性很差后用ITO,金属浆料不烧进去,可以进一步做双面钝化,所谓POLO电池在海外并不成功,由荷兰还是德国的研究所做的,最高效率只有22.5%。另外一种可能是背面做完钝化后,正表面做局部钝化,不做全表面钝化的原因是多晶硅做的很厚会有比较大的损失,光的吸收损失很大,在有光没电极的地方要去掉,有电极不受光照的地方可以做,要局部的多晶硅钝化膜,难度很大,到目前为止在任何实验室和中试线还没有这种电池被做出来。这只是设计,模型样品没有出来,所以做出来是什么状态没法验证。现在只有HJT技术发展的提效路径最明确。
我要提醒一个点是,从隆基2021年发表结果看,双面TOPCon都用多晶钝化是28.7%,如果只有背表面钝化,另外表面是P+电极,只有27.1%。单面理论极限效率比28.7%低。为什么隆基发表的效率比德国的高,因为隆基新发表的是基于他自己25.1%的新钝化膜机制所导致的接触电阻下降,提升理论效率。现在关注HJT技术路线,HJT三个技术路线,这个是全非晶,24.3%,已经大规模量产。单面微晶(前表面微晶二氧化硅)25%,都中试了。产业化实施是100%全是HJT2.0,华晟初步结果是效率能提升到25.5%-25.6%,还有提升空间,因为还在刚开始调试。今年产业预期很明显,年底HJT效率是25%,而且通威等企业都在原有的生产线上改造成HJT2.0。HJT3.0就是背表面做纳米晶硅,难度更大但是完全可以在实验室实施,华晟在做这方面工作,在试验线上导入HJT,背表面微晶硅。
2021年HJT提效非常明显,迈为、华晟、隆基等企业9次打破世界纪录,所以这么大量打破世界纪录表现技术相对成熟。TOPCon在2021年也不错,不仅是像德国4cm小片不断创造纪录,在国内的大面积商用硅片上也不断创新,中来和晶科也打破了大面积尺寸的效率世界纪录,达到25.4%。2021年确实在TOPCon电池技术上有很大进步。主要电流现在提升的很明显,但是我们说TOPCon有个问题,如果只做单面,是德国人在报道上做的设计,但N型硅片的其实就这两个,国内都是TOPCon开始产业化了,但是POLO二次方背结技术,就是N型双面TOPCon,理论效率比较高但是做起来的工艺难度很大,只是设想,并没有实验室结果。如果产线上这个做出来效率会进一步提升,难度很大,还会进一步增加成本。PERC到2019年1月份从隆基在当时打破新世界纪录24.06%,后面4年没有创造新世界纪录,说明这种电池处于瓶颈,理论效率只有24.5%,实际上效率24点几%已经在实验室做很多功夫了,现在产线也就23%左右,说明PERC电池已经没有太多上升空间了。
二、 三种电池的技术难点
技术难点:PERC工序10/11步,比如两次激光,一次扩磷,双面镀膜;TOPCon加镀二氧化硅和多晶硅工艺,前面还要扩硼,但是没有激光开口,还有湿法;HJT其实原来只是从清洗,双面镀微晶硅或者非晶硅,然后做ITO,再丝印烧结。以前很简单,只有4步,但是现在硅片还需要吸杂,以前都是低温过程,如果硅片不好,杂质多会影响效率,要清洗和吸杂(跟扩磷差不多),所以就变成8步。
TOPCon其实有很多企业也不太说,第一大难点是扩硼,第二大是LPCVD,单面镀背面绕镀比较严重,良率不高。双面扩了之后这个问题基本解决,但是LPCVD还有很多问题,管壁上镀很快,150nm的东西做10炉1.5um,很快镀在管壁上,管壁要经常清洗,但是低压过程的LPCVD要层压,需要厚的石英管,同时也要清洗,这个问题比较大。现在用双套管,外面层压,里面承接镀的那层膜,经常拿出去清洗,虽然这样比较好,但是又费了一些手续,所谓开机率会受影响,因为需要维护。实际扩硼本身很难的一件事情。工艺步骤比较长,导致良率损失比较大,还有一些可能的潜在的造成良率和产线波动问题,扩散烧穿和银浆烧穿多晶硅膜造成钝化破坏,还有高温过程导致硅片损伤;HJT难点一个是PECVD保持净化,要求接近半导体工艺,比TOPCon扩散之前纯度要求严格,还有HJT2.0和3.0之后,因为氢稀释率加大以后需要加快沉积速率,要导入高频,会导致均匀性下降。另外还有成本问题,如何让银浆用量下降,电池稳定性又进一步提升。
成本难点:TOPCon也有痛点,一个是良率比较低,另外就是CTM。良率低增加成本,CTM比较低/和实际组件功率有明显差。效率提升难度也比较大,未来上升空间没有太多,因为设备维护频率比较高;HJT在成本难点是浆料耗量比较大,一个是量如何降低,还有价格如何降低,此外CTM也比较低。微晶制备要求也是,影响成本和技术。
工艺过程:很多人让我列成本分拆,其实我认为分拆成本意义不是很大,你看降本要看逻辑,也就是降本靠什么逻辑。比较这三个工艺过程,比如比较这三个有多少高温。PERC有3个高温过程,一个扩磷850℃,两个镀膜400-450℃,烧结800℃。TOPCon高温过程有扩硼1100-1300℃,扩磷850℃,LPCVD700-800℃,两个镀膜450℃,烧结800℃,高温过程很多,热负荷很高,能耗和成本也很高。光从材料和设备投资方面看不出来,但是其实从电费来看,最起码比PERC高。HJT如果不吸杂,其实就是200℃,PE200℃,烧结200℃,PVD170℃。所以它是非常低温的,低温时间也不长,因为镀膜时间非常短,经常镀2nm、3nm、10nm这样的薄度。但是浸出时间比较长,浸出一个载板从头到尾8min。一个载板的量比一个管式PECVD少,管式PECVD扩散是2400℃或者1200℃,而一个载板12*12=144走得快但是量也少。这是有一定可比性的,总之温度是比较低。但是如果做快速磷吸杂,工艺可以达到1000℃,但是持续时间短,只有1min,整个热负荷远低于TOPCon。我们再看湿法过程:PERC是3次,TOPCon5次,HJT原来没有吸杂就只有一次制绒,只有一台设备,很简单。如果有吸杂,在吸杂之前要洗/去损伤,后面有个制绒,湿法过程非常短。真空过程PERC有扩磷和两次PECVD,也都是真空的,但真空度要求比较低,杆泵就够。TOPCon真空度就比较高,扩磷、扩硼、LPCVD和PECVD各2次,真空度要求不高,5次真空杆泵就够。HJT有两次,一次是PECVD,一次是PVD,PVD要求真空度比较高,用的是分子泵,所以这个在真空的要求上会比较费能量。整个工艺过程就看现在的成本和未来降本过程来看,会由于工艺简单所导致的各种能耗和损耗低很多。
三、 HJT产业化
有很多企业都做出来了,虽然规模都不大,CTM等效效率很接近,都在23.9%-24%之间,我们去掉这些企业各自宣布的24.6%和23.9%的都有,最终要横向比较,从CTM反推。CTM从主要功率反推等效效率大概是23.9%-24.1%,在这个范围内波动,大家都比较平均。我们看浆料在不断下降,去年初华晟M6是220mg,去年底已经做到150mg,现在140mg。现在已经在试验钢板印刷,钢板印刷还可以再降低10-15mg,当然钢板印刷也有自己的问题,还在改进中。140mg再下降可以下降到130mg或者125mg,那就已经下降很多了。其实我们发现很重要的现象是银浆在不断下降过程中,组件功率并没下降。如果银浆下降,组件功率下降是有问题的。虽然测试效率下降了但是组件功率保持住了,所以这就确保了银浆用量是很正面的方面。HJT的2.0效率提升非常明显,实验室中试线2.0单面微晶组件功率,先不说效率,其实效率可以达到25.3%,我们拿出组件功率来比,PERC是450W,HJT1.0的475W,TOPCon是465W,2.04是90W就比PERC高出40W,这个就看的很明显。以前做组件功率认证其实最高是493W,我们也做过490W,我们现在实验室做出来的494W比较多。HJT企业其实并不多,现在TOPCon上的这么猛的情况下,HJT企业都是比较行外的。非龙头企业做HJT也是有原因的,行业外的企业比较多,龙头企业反而很谨慎做HJT,今年年底应该能达到15-16GW左右,也可能下半年突然增加,宣称的是很高的,因为有些说了还没建或者说了不建。
另外降本逻辑,拆分成本不能太说明问题,我们来看太阳能电池降本基本逻辑,有很多种降本,银浆价格、耗量和硅片价格等,但是我提出提效是最根本的降本方法。一个电池的成本由硅料、硅片、电池组件、电站BOS投入构成。当然电站还有另外一些成本包括维护和日常损耗成本。最后有电站收益,所以会产生利润。但是我们说HJT和TOPCon其实有一些所谓的不确定性发电量增益,好多人说到底多少,我认为和电站建设情况有关,跟温度高不高,日照情况和地面反射情况都有关。双面辐照的增效,我们无法明确说出来;低衰减,不能马上看出来,需要长期使用;还有温度系数、寿命增长都是不确定增益,只能在建电站一事一议。提效是在太阳电池制造过程中有所增加,银浆用的多一些,或者设备贵一些,都是指在电池制造中非硅片的BOM(原材料)成本和非BOM成本可能有所增加,这是提效的代价。在这个代价付出以后,在硅片和BOS端会有大量所得,在组件端没有什么增加。同样的组件,BOM和非BOM成本都是一样的,但是由于效率提高了,成本就下降了,同时电站BOS也下降,硅料和硅片也下降。功率一大,这些的成本就会低。所以我说提效是最大的降本,就在于提效可以使这些地方下降。
这个是很早期2011美国国家能源实验室的结果,要想说明这个问题,很少人从逻辑来说降本逻辑,还是老的文章说的比较清楚。这篇文章说不同电池效率是黑线,黄线、蓝线、绿线是每瓦功率,纵坐标是度电成本,横坐标是每平方米组件价格,我们看组件效率提升价值在哪,假如我们都是1.9元/W的价格,如果效率低,只有9%效率,组件价格一样,则度电成本算出来是1毛2到1毛3。如果效率到25%,度电成本只有8-9分。所以价格一样,只要效率提升,度电成本就会下降,这就是人们不断追求效率的原理。要想提效,我在讲降本逻辑是这样的,降本是降低电池全寿命周期的成本(LCOE),由四个因素决定LCOE的下降:发电增益、系统效率、系统成本、组件寿命。只要把寿命增加一倍就行,LCOE就会下降一半。系统成本是我们最熟知的,但如果我们看到系统效率的提升会有很明显问题。比如比较这三种电池的发电量增益,是70、80、95,这个是从双面率来看不一样,它的收益率就会不一样。从温度系数来看,PERC是0.38,TOPCon是0.31,HJT是0.26。温度系数的差别决定于开压,开压来看HJT最高,TOPCon第二,PERC第三,开压决定了温度系数的差别。关于衰减,PERC是有明确衰减模型,另外两个并没完全模型,所以有待后续研究。效率来看是23、24.6、24.5,但反推效率就不一样,这就带来了组件功率的不一样,一系列组件功率不一样,整个电站投资会下降。
从HJT来看降本情况是这样的,设备成本在不断下降,设备国产化从原来的15亿9亿5亿4亿到3.5亿;从银浆用量来看,有几个台阶:多主栅,硬靠主栅和网版改进,已经降低到140mg在大生产,130mg是用钢板后的未来预期,或者说是近期的预期。如果银包铜有30%-50%,就又会降低一块,比如预期是100mg银。SmartWire专利2023-2024过期,这块会有所降低,甚至降低一半或者40%。把主栅全部替代,那就可能到70mg,镀铜直接没了。所以异质结降本是有不断下降的台阶的。另外我们看所谓的银浆降本其实真正比较的是所谓的单瓦组件成本,比如PERCM6是80mg,算成单瓦是12.8,除的是450W而不能除组件功率。现在有人把PERC电池和TOPCon电池算的很低,原因是已经把电池效率提得很高了,那它一除上银耗就很低了,但其实要做到组件有的大损失,这块应该算成120mg一片乘以72再除以650W,这算出来才是单瓦的银耗。HJT1.0,130mg是很可以预期的,乘以72再除以475W,那就是19.7。如果功率提高了,银耗没有提高,那就除以490,就会进一步下降。如果能增到500W,还是保持130mg一片,那除以500一下就能降下来。如果效率提高,在银耗量不变情况下,都可以把银浆单瓦成本下降。另外硅片来讲,高效这块是肯定的,我们要比较的是厚度和效率,这些都可以造成用硅料量的下降,就意味着整个成本的下降。比如说TOPCon,从160mg降到130mg,正是因为硅片厚度下降,当然效率也在提升,猛然将硅耗量从1.3-1.4mg一下降0.54mg,这是用料的下降。
如果效率提升它的用量也会进一步下降,但我们其实看硅片厚度下降是更明显的,效率提升导致硅量节省不大,厚度下降导致硅量节省很大。所以130mg作为未来HJT小硅片标配,210硅片第一步还是150μm,将来也可以把它变成130μm。
ITO这块也有一些方案,后面用AZO,用ITO氮化硅复合膜等,也有所下降。我们用130μm的硅片,发现工艺并没下降,做成组件后CTM反而上升,它是薄片,开压会上升,整个电池和组件来讲反而上升。银包铜稳定性也是不错,可以达到6倍IEC标准,后面就是大规模导入问题。镀铜其实国内,包括龙头企业通威和隆基,都在做电镀铜的不断改进,除了传统地用种子层掩膜来镀,现在改善了以后可以直接镀,像澳洲Sundrive公司等,这样节省了很多成本。HJT想大规模也要与整个产业链匹配。
设备我给大家看下,HJT这块很简单,就是CVD多层膜,INIP和IINP的两种镀法,IINP效率会提高一些。镀膜设备厂家有迈为、理想、捷佳伟创和钧石。PVD这个设备很多企业比如国内的迈为、钧石、捷佳伟创,当然还有一些新冒出来的PVD的企业也都能做,因为这个其实是很简单的设备。PVD在电子行业,镀平板显示和大规模玻璃是很成熟的技术了,所以设备成本下降空间是巨大的。TOPCon扩散是难点,TOPCon主要是做LPCVD和扩散设备,扩散设备各家都能做,LPCVD是比较新型的,现在有PECVD、管式的PEALD,还有中来的PVD这几种技术。管P也有很多家,之前的CT的,在国内就是和拉普拉斯有合作,还有捷佳伟创,荷兰的Tempress,后面就有北方华创、赛瑞达、拉普拉斯和48所。现在拉普拉斯供货好像比较多。

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