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#研究报告#光伏系列(51):TOPCon规模推广加快,将带来新一轮电池装备需求(招商电新、机械)

栏目:研究报告 作者:ZML 时间:2022-06-13 21:46:05

◾电池片环节新一轮技术变革正在启动,TOPCon、HPBC、HJT、IBC为代表的新技术都在加速迭代,其中TOPCon规模应用已经开始,与PERC相比,TOPCon新增了隧穿氧化层生长与多晶硅沉积设备,硼扩设备更多。而在几种制备钝化层技术路线上,目前LPCVD路线体量占主导,PECVD是颇具潜力的方向,如果能进一步优化,也有望得到大规模应用。除晶科能源,我们预计下半年将有3-5家企业启动大规模TOPCon投建,这些企业可能会根据下半年装备公司迭代后情况比较以及自身工艺掌握程度选择其TOPCon路

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◾电池片环节新一轮技术变革正在启动,TOPConHPBC、HJT、IBC为代表的新技术都在加速迭代,其中TOPCon规模应用已经开始,与PERC相比,TOPCon新增了隧穿氧化层生长与多晶硅沉积设备,硼扩设备更多。而在几种制备钝化层技术路线上,目前LPCVD路线体量占主导,PECVD是颇具潜力的方向,如果能进一步优化,也有望得到大规模应用。除晶科能源,我们预计下半年将有3-5家企业启动大规模TOPCon投建,这些企业可能会根据下半年装备公司迭代后情况比较以及自身工艺掌握程度选择其TOPCon路线。总体来看,具备先发优势的装备企业将受益于这一轮电池片技术的升级换代。
摘要
TOPCon装备体系与PERC类似,钝化层设备是难点。TOPCon电池相较于PERC电池有较强的延续性,主要区别在钝化层制备,TOPCon增加了隧穿氧化层及多晶硅沉积设备,还要用更多的硼扩散装备,其余制备流程与PERC比较接近。隧穿氧化层生长及多晶硅层沉积是TOPCon工艺难点,其单GW设备投资较PERC增加约3000-4000万元,主要系:a)由于硼扩散的速度较慢,因此硼扩设备数量增加;b)增加隧传氧化层与多晶硅层制备。目前TOPCon产线基本为新建产能,后续扩产可能也将以新建为主。

钝化层制备路线不同,PECVD与LPCVD可能并行。PERC电池装备经过较长时期技术工艺探索和实证检验后工艺趋于成熟,企业间差异不明显。TOPCon仍处在推广初期,因此在隧穿氧化层、多晶硅层的制备方面选择也比较多样,目前主要有LPCVD/PECVD/PVD三种路线。LPCVD相对成熟,钝化效果好,但热壁沉积等问题会增加运维成本;PECVD路线目前应用进度不如LPCVD,但潜力较大,如果其技术问题得到解决,考虑综合成本降本是不错选择。目前PECVD与LPCVD目前设备造价基本在1.6-1.9亿元/GW附近,主要差异在背膜沉积设备,其余设备价值量基本相同。

TOPCon规模应用已经启动,将带来相应的需求与机会。晶科能源等公司在成功解决绕镀等技术难题后,率先启动TOPCon的大扩产。目前TOPCon相较PERC已有一定经济性,随着未来TOPCon众多技术应用与规模效应体现,其经济性将进一步加强。我们判断今年下半年将有3-5家企业会启动较大规模的TOPCon扩建,2022-2024年是TOPCon密集扩产的时期,估算年均电池需求超过120亿元,具备先发优势的设备企业将受益。

推荐与关注:海目星/捷佳伟创(机械联合)、奥特维/帝尔激光(机械)、金辰股份(机械联合)、京山轻机(机械)、罗博特科(机械)。

风险提示:TOPCon产业化进度不及预期,技术路线迭代的不确定性
一、TOPCon电池相较于PERC电池有较强的延续性,主要区别在钝化层制备
TOPCon将快速替代PERC。光伏电池技术经历多轮迭代,随着PERC电池效率逐步接近24.5%理论极限,同时TOPCon自身的绕镀问题也已经解决,目前这一技术路线已具备经济性,有望快速替代PERC成为电池主力技术路线。

TOPCon与PERC工艺兼容度高。TOPCon电池基本由PERC电池的基础架构升级而来,除衬底由P型变为N型外,主要差别在于硼扩与钝化层的制备:a)由于硼扩散的速度较慢,因此硼扩设备数量增加;b)背面钝化接触结构有变化,由隧穿氧化层与掺杂多晶硅构成。隧穿氧化层提供了良好的化学钝化性能,降低界面复合并允许多数载流子隧穿至掺杂多晶硅层,掺杂多晶硅层与基体形成n+/n高低场,阻止少数载流子运动至表面,形成选择性钝化接触。

电池环节主要区别在钝化层制备,其他环节设备变化不大。TOPCon与PERC电池结构有较强的延续性,除使用硼扩散装备外,区别主要在于钝化层制备,TOPCon增加隧穿氧化层及多晶硅沉积设备,其余电池制备环节基本与PERC兼容。TOPCon使用N型衬底,对硅料纯度要求高于P型(硅料企业多数产能均可生产N型料),此外,TOPCon硅片规格与切片厚度与PERC大体一致,因此在重资产的硅料、硅片环节不涉及设备变更。组件方面,TOPCon电池为高温工艺,与PERC相同,因此在组件焊接等过程不需要变更设备(多主栅趋势下,可能需要增加焊接设备量)。总体来看,除电池环节的硼扩与钝化层制备需要新增设备外,硅料、硅片、组件不需要设备变更。
二、钝化层制备路线不同,PECVD与LPCVD可能并行

2.1 TOPCon电池生产工艺流程介绍

清洗制绒。硅片切割后其边缘有损伤,硅的晶格结构被破坏、表面复合严重,清洗制绒主要目的在于去除表面损伤并形成表面金字塔陷光结构、增加光线吸收,并提升少子寿命。

硼扩散。主要作用是制备PN结,由于硼在硅中的固溶度低,因此需要高温和更长的时间进行扩散。同时,扩散源的选择对生产过程也会有影响,氯化物腐蚀性较强,溴化物黏性大,清洗过程繁琐、增加运维费用。

掺杂。主要目的是形成重掺杂区,提高光电转换效率。发射极掺杂对太阳电池转换效率影响较大,高浓度掺杂降低硅片与电极的接触电阻,进而减小电池的串联电阻,但会导致载流子复合变大、降低少子寿命降低,影响电池的开路电压和短路电流,而低浓度掺杂则相反。激光SE可提效0.3-0.4%,且PERC 电池已普遍使用激光 SE 工序,电池生产商与设备制造商均有一定积累,可能是主要路线。

刻蚀。刻蚀的主要作用为去除BSG和背结。扩散过程会在硅片表面及周边均形成扩散层,周边扩散层容易形成短路,表面扩散层影响后续钝化,因此需要去除。目前刻蚀主要采用湿法,先在链式设备中去除背面与周边扩散层,之后处理正面。

制备隧穿氧化层与多晶硅层。背面沉积1-2nm隧穿氧化层,之后沉积60-100nm多晶硅层形成钝化结构。TOPCon钝化层制备方式较多,主要分为LPCVD、PECVD、PVD路线等,目前以LPCVD为主,PECVD具备较强潜力。

制备背面减反射膜。在电池背面制备减反射钝化膜层增加对光的吸收,同时,在SiNx薄膜形成过程中产生的氢原子对硅片具有钝化作用。

正面镀氧化铝。在硅片正面沉积一层氧化铝膜层,与其他膜层共同形成正面钝化作用。

制备正面减反射膜。正面减反膜与背面作用基本相同,此外,正面沉积的氧化铝薄膜非常薄,容易在后续电池组件的制作中被破坏,正面SiNx对氧化铝也具有保护作用。

丝网印刷。通过丝网印刷制备前后电极。

烧结。通过高温烧结形成良好的欧姆接触。

自动分选。对不同转换效率的电池片进行分档。

2.2 目前以LPCVD为主,PECVD可能会与其并行

目前准备钝化层的技术路线以LPCVD为主,PECVD可能会与LPCVD并行。隧穿氧化层生长及多晶硅层沉积是TOPCon工艺的难点,以多晶硅层的制备方式划分,主要分为三种技术路线,分别为LPCVD(低压力化学气相沉积法,可进一步细分为以全扩散工艺与离子注入磷工艺)、PECVD(等离子体增强化学的气相沉积法)、PVD(物理气相沉积法)。TOPCon仍处在推广初期,因此在隧穿氧化层、多晶硅层的制备方面选择也比较多样,LPCVD路线在解决绕镀问题后应用相对较多,但热壁沉积等问题会增加运维成本,PECVD路线目前应用进度不如LPCVD,但潜力较大,具体使用何种工艺制备钝化层,需要看各企业对不同技术路线的掌握程度。

LPCVD相对成熟。LPCVD(等离子体增强化学的气相沉积法)是将反应气体在反应器内进行沉积反应时的操作压力降低到大约133Pa以下的一种CVD反应,此时,分子的自由程与气体扩散系数增大,使气态反应物和副产物的质量传输速率加快,形成薄膜的反应速率增加。LPCVD方案在生成隧穿氧化层是时采取热氧法,沉积多晶硅层采取LPCVD方案(本征+离子注入/磷扩),这一技术工艺相对成熟,钝化效果好,但需附加解决绕镀问题,此外,由于沉积时会在石英舟/石英管同时形成膜层,需后续清理,因此运维比较麻烦。

PECVD以管式为主,潜力较大。PECVD(等离子体增强化学的气相沉积法)是依靠射频感应产生的等离子体,实现薄膜沉积工艺,这一技术路线成膜速度快、节省能源、运营成本相对较低,但是存在氢含量高,易爆膜的困扰。目前PECVD推进可能会比之前快,但是区别于LPCVD通过解决核心绕镀问题实现产业化突破,PECVD的进步很难具体界定是哪个特定环节取得突破,主要是因产线每次都需要面对不一样的问题并提供不同的解决方案,一项工艺变动发生后,可能会影响此前看似已经解决的问题,此外,不同环节看到的问题也不一样。如果PECVD技术问题得到解决,可能会成为综合考虑成本及后续降本空间的选择,目前有板式PECVD和管式PECVD两种方式,但考虑到设备成本,预计TOPCon的PECVD会以管式为主。

PVD方案同样值得期待。PVD(物理气相沉积)指将材料源表面气化并通过低压气体/等离子体在基体表面沉积,包括蒸发、溅射、离子束等,该技术路线由江苏杰太光电提出,由PECVD形成氧化层,PVD完成多晶硅沉积,成膜速度较快且基本无绕镀影响,缺陷在于设备占地面积较大,初始投资较高。
三、TOPCon规模应用已经启动,将带来相应的需求与机会

3.1 TOPCon单GW设备投资略高于PERC

投资强度略高于PERC,设备投资差异主要在于硼扩与钝化层制备。根据CPIA统计数据,2021年PERC产线投资额约1.94亿/GW,TOPCon为2.2亿/GW,新建产线投资强度已经和PERC接近。近期根据产业反馈,目前PERC产线投资额已经降至1.5亿/GW以下,TOPCon产线投资额也降至1.6-1.8亿/GW。TOPCon设备单GW投资强度高于PERC约3000-4000万元,主要差别在于硼扩设备数量与钝化层的制备:a)由于硼扩速度慢于PERC,因此硼扩设备数量增加;b)与PERC相比增加隧传氧化层与多晶硅层的制备。

钝化层制备路线不同,设备价值量差别不大。PERC推广初期在选择性发射极制备、钝化膜沉积、背面局部接触方案上有多样化选择,经过较长时期技术工艺探索和实证检验后工艺趋于成熟,企业间差异不明显。目前TOPCon仍处在推广初期,因此在隧穿氧化层、多晶硅层的制备方面选择也比较多样,此外,结合各环节的差异化选择,最终体现为量产效率与成本方面的差异。PECVD与LPCVD目前设备造价基本在1.6-1.9亿元/GW附近。以LPCVD为例:清洗制绒与刻蚀设备价值量约为2400-3000万元/GW,约占整线设备价值量的15%;硼扩散设备价值量约为1600-2000万元/GW,约占整体的10%;正膜沉积设备价值量约为1600-2000万元/GW,约占整体的10%;背膜沉积设备价值量约为4500-550万元/GW,约占整体的25-30%;丝印烧结设备价值量约为3500-4500万元/GW,约占整体的20-25%;自动化设备价值量约为2000-3000万元/GW,约占整体的10-15%;其他设备价值量约为500-1000万元/GW,约占整体的3-5%。
PECVD路线设备总投资额约为1.6-1.8亿元/GW,主要差异在于背膜沉积设备价值量约为3500-5000万元/GW,约占整线设备价值量的20-30%;其余设备价值量与LPCVD路线基本相同。

3.2 预计未来几年TOPCon电池设备年均需求超120亿元

预计TOPCon产能将以新建为主。从改建角度看,PERC产线需要增加的投资额(包括硼扩、沉积设备等)大致在0.4-0.6亿/GW,投资额并不高,制约PERC产线改造的因素主要为技术方案和预留场地空间是否足够,随着TOPCon设备投资额逐渐下降,目前新增TOPCon产能主要以新建产能为主,预计此后TOPCon产能当中,新建可能占绝大多数。

TOPCon规模应用已经启动,将带来相应的需求与机会。晶科能源等公司在成功解决绕镀等技术难题后,率先启动TOPCon的大扩产,目前TOPCon相较PERC已经有一定经济性,未来随着TOPCon众多技术应用与规模效应的体现,其经济性进一步加强。考虑到多数组件厂在TOPCon领域均有布局,预计今年下半年还将有3-5家企业会启动较大规模的TOPCon产能建设,TOPCon将在2022-2024年迎来密集扩产期,估算未来几年电池设备年均市场空间将超过120亿元,具备先发优势的设备企业将受益。
投资建议
电池片环节新一轮技术变革正在启动,TOPCon、HPBC、HJT、IBC为代表的新技术都在加速迭代,其中TOPCon规模应用已经开始,与PERC相比,TOPCon新增了隧穿氧化层生长与多晶硅沉积设备,硼扩设备更多。而在几种制备钝化层技术路线上,目前LPCVD路线体量占主导,PECVD是颇具潜力的方向,如果能进一步优化,也有望得到大规模应用。除晶科能源,我们预计下半年将有3-5家企业启动大规模TOPCon投建,这些企业可能会根据下半年装备公司迭代后情况比较以及自身工艺掌握程度选择其TOPCon路线。总体来看,具备先发优势的装备企业将受益于这一轮电池片技术的升级换代。

建议关注:海目星/捷佳伟创(机械联合)、奥特维/帝尔激光(机械)、金辰股份(机械联合)、京山轻机(机械)、罗博特科(机械)。

风险提示
1)TOPCon产业化进度不及预期
TOPCon处于规模化应用的初期,可能会有推广进度不及预期的可能;
2)技术路线迭代的不确定性
TOPCon刚刚起步,除LPCVD外,尚有多种路线可供选择,技术路线迭代存在不确定性;

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