机械行业周报：光伏电池片金属化技术进展跟踪（二）

本周关注：杰瑞股份、吉林碳谷、天地科技、江苏神通 本周核心观点：开年以来，稳增长压力加大，基建投资强度有望增强。我们认为，相对薄弱的公用事业建设有望成为投资热点，包括“双碳”相关的核能、氢能，水网及智慧水务建设、油气管网建设等，将带来设备投资需求。 本周主题：非接触式金属化降本以及技术进展 金属化影响电池成本及转换效率，最终关乎电池路径的选择。电池金属化是光伏电池片制作工艺过程中的重要环节之一，通过导电浆料印刷和和烧结，在硅片的正背面制备金属化电极，使电极与电池片间形成紧密高效的欧姆接触，将光生载流子导出电池。金属化关系电池片生产成本、转换效率等方面，最终影响未来电池路径的选择。因此，金属化工艺优化不仅成为各家电池厂家为实现降本计划重点攻克的领域，同时成为行业关注重点。 传统金属化以接触式为主，设备和浆料优化实现共振。在考虑降本方面，除了采用国产银浆以及新型浆料（银包铜）等，金属化采用新型技术工艺实现降本及转换效率的提升。根据印刷方式的不同，金属化大致可分为接触式及非接触式。 1）接触式金属化以丝网印刷为代表，技术改进主要围绕增加栅线数量展开。此外，还包括迈为华晟联合研发的SMBB技术、美耶博格无主栅技术及迈为全新推出的全开口钢板印刷技术；2）非接触式金属化主要指以丝网印刷技术以外的电池技术，包括电镀、帝尔的激光转印技术等。本文将重点探讨非接触式金属化降本以及技术进展等。 铜电镀技术：突破丝印最为有效的尝试。铜电镀技术最大的优势是用铜替代全部金属银浆，根本上解决材料成本高的问题，同时铜电镀能同时实现双面金属化，提高生产效率。但是环保问题以及高设备投资额成为阻碍铜电镀技术产业化的重要因素。目前捷佳、钧石及迈为等都有不同程度布局铜电镀技术，目前捷佳、太阳井以及捷德宝等均有布局铜电镀设备，为异质结电池银浆降本充分准备。 激光转印：非接触式金属化较为成功的尝试。激光转印技术是一种新型的非接触式印刷技术，主要包含浆料填充以及浆料转移两大步骤。该技术的实际应用对于激光操作精准度有着较高要求，过高或过低都将导致栅线印刷效果不及预期。目前布局激光转印技术的主要为帝尔激光，根据公司公告，该技术能节省副栅线银浆用量的30%、栅线高度一致性及均匀性优良、兼容不同电池技术及不同浆料等多方面优势。目前已有样机在客户端进行工艺测试验证。 喷墨打印：仍处于初期研发阶段。喷墨打印技术是一项可直接编程复杂图案的技术，利用喷墨打印的图案化控制能力，实现金属网格几何尺寸的精细控制。 该技术优势包括1）非接触式打印，能适用于超薄或柔性电池；2）由于金属耗量低、无需网版或刮刀等耗材，实现低成本金属化工艺；3）通过纳米材料，可以用于低表面掺杂浓度接触等若干方面。目前迈为股份正在开展喷墨印刷试验平台项目，但尚未在下游实现产业化应用。 投资建议：建议关注在新型金属化技术上布局的先进设备厂商迈为股份、帝尔激光、捷佳伟创、金辰股份。目前各家设备厂家均将新型金属技术在下游产线推进量产线验证，一旦突破将率先受益于技术的更迭，抢占更为广阔的市场空间。 风险提示：光伏下游需求不及预期；电池技术路径变化；新技术在量产线验证效果不及预期。 1上周组合表现 上周关注组合：国茂股份、精测电子、江苏神通、精功科技、吉林碳谷。截至2022年2月25日，周区间涨跌幅+5.65%，同期机械设备申万指数涨跌幅+0.36%，同比跑赢设备指数。组合开始至今，累计收益率-23.00%，跑输沪深300指数-16.52p Ct ，跑输申万机械指数-15.85pct。 2铜电镀技术：突破丝印技术的有效尝试 电镀技术是一种非接触式电极制备技术，利用电解的原理在导电层表面沉积金属。在正式制作铜电极之前，为改善金属与透明导电薄膜的接触及附着特性，引入一层极薄的种子层（ 100nm ），增加电镀金属与TCO之间的附着性能；然后通过图形转移技术选择性的获得电极的设计图案。 完整的电镀流程包括之后的电镀粘合层、导电层、焊接层、掩膜的剥离及退镀等流程，最终得到具有优异塑性和良好选择性的铜电极，使电池的性能显著提高。其中，由于金属铜容易氧化，因此需要在铜表面再镀一层锡抗氧化（锡厚度约为1微米），保证电极的稳定性和一致性。 铜电镀优势主要集中在：1）成本低：通过铜电镀可以完全替换原有银浆（包括主栅和细栅），进而降低制作双面金属网栅的材料成本；2）可以实现宽度超细线宽（≤10μm）的栅线和低接触电阻，从而提升转换效率；3）可以同时实现双面电镀，电池正背面正极能同时完成。 此外，由于铜栅线与银栅线其不同的材料构成，导致前者相比较后者更加容易脱落：银浆是由银、树脂和其他氧化物组成，烧结后呈现出类似珊瑚状，所以本身是略有弹性线体，硅片是可弯曲的；而铜栅线是实心状态，因此本身栅线的弹性较差。 在TOPCon电镀工艺上，为了解决铜栅线易脱落的问题，通常主要通过结合其他的金属材料提升粘结度：铜跟硅之间会有一个烧结的界面（镍硅合金）用于衔接铜与硅两个实体，以此提升铜线的附着力。 此外，在异质结电池工艺上，由于所用材料为低温银浆，HJT的电镀工艺上，会把铜线直接长在硅表面上，减少烧结的环节，因此在HJT电池中会存在铜与硅层容易脱栅的问题。为了解决HJT电池中的脱栅问题，目前主要通过低应力铜工艺技术，帮助解决脱栅问题。 因此，通过一系列的技术改进，关于市场对于脱栅、应力等方面的问题，一线产商已验证铜栅线制程已具备以下特性：1）低应力、不脱栅、高可靠性；2）成熟工艺，具备量产性。 图1：电镀电极结构 图2：电镀工艺流程 图3：铜电镀技术工艺流程及铜电极结构 但是铜电镀固有的劣势也不可忽视，成为铜电镀产业化应用过程中最大的阻碍： 1）相比较传统丝印，电镀铜的工艺流程相对较长，复杂的工艺流程提高对于设备精准度的要求，在设备工艺成本以及良率方面的控制存在一定的劣势；2）电镀也存在各种重金属、含氮废液、干膜废弃物，处理麻烦且环保成本较高，随着国内环保政策收紧，环保问题成为铜电镀技术大规模普及最大的限制因素。 从产业化应用的角度看，1）目前布局铜电镀工艺的公司包括隆基、通威、捷佳和钧石等。 2）目前布局铜电镀设备公司包括捷佳、太阳井以及捷德宝等。根据海源复材公司公告，2021年11月，公司与苏州捷得宝签署《设备买卖框架合同》，捷得宝作为国内铜电镀设备龙头，目前铜电镀做验证的客户，国内外大概有12家，其中8家是HJT，其他4家是TOPCon。捷德宝所开发的铜电镀工艺，主要是油墨掩膜及水平电镀工艺，目前已有小批量生产，主要作为研发使用，预计2022年年初可实现国内设置中试线；预计2022年年中可提供7500片量产设备。 图4：捷德宝TOPCon电池片铜电镀示意图 3激光转印技术：非接触式技术中较为成功的尝试 3.1激光转印技术包含浆料填充和银浆转移两大步骤 激光转印技术大致可分为两个阶段：1）浆料填充：将浆料填充到有预压纹沟槽的透明基板上；2）银浆转移：使用激光照射将浆料图案转移到电池硅晶片的表面。 （a）浆料填充：第一个金属刮刀将银浆填充到沟槽中，由于第一次填充完后沟槽中会形成凹陷的浆料表面；第二个金属刮刀继续刮过，填充剩余体积的同时从薄膜表面去除多余的浆料； （b）浆料转移：将载板倒置并且移动到需要印刷的位置上方。同时将基板安装在移动卡盘上，并位于薄膜下方200μm距离出，一个接一个的，使用波长为 1070nm 的激光照射槽沟。激光辐射度透过透明薄膜，激光能量首先被浆料表面吸收，产生的热能使得浆料和沟槽之间的界面冲的有机成分蒸发，并在浆料-薄膜界面出形成高压蒸汽层。在浆料-薄膜界面出有足够的压力，银浆就会就会被会转移印刷到晶片表面。 图5：激光转印浆料填充过程（a.浆料填充；b.银浆转移） 图6：激光转印工作原理 激光转印技术与传统丝网印刷技术所制栅线的比较：a)-c)对应激光转印技术所印刷出的栅线形态；d)-e)对应传统丝网印刷技术所印刷出的栅线形态。根据比较可知，a）：激光转印技术所印刷的栅线，高度基本一致；b)&e)：激光转印技术能实现较小的宽度；b)&e)：在二次印刷后，栅线宽度也基本保持不变，却同时优化了栅线高宽比；c)&e)：在高度基本一致的情况下，激光转印技术对应的栅线宽度较丝网印刷更窄，前者遮光面积相对较低，进而实现较高的光电转换效率。 图7：激光转印与传统丝网印刷技术所制栅线的比较 但是激光转印技术的实现却存在较大的技术难度，功率过低或过高，都会直接影响栅线印刷的效果。(a)当激光功率过低时，则无法在浆料/薄膜界面产生足以克服聚合物薄膜和和浆料之间的粘合度，因此浆料无法脱落并继续保留在沟槽内；(b)当激光功率刚好达到一定水平恰好使得在界面区域产生足以克服浆料和聚合物薄膜之间的粘粘力时，能观察到最佳转移结果；(c)当激光工艺过高时，激光施加的压力远高于所需的水平，浆料通常会发生飞溅，使得线宽方向变形，影响最终的栅线形态。 图8：不同激光功率情况下，激光转印效果呈现 3.2激光转印持续获得突破 目前行业内布局激光转印技术的主要为帝尔激光： 帝尔激光所研发的激光图形转印技术（Pattern Transfer Printing，以下简称PTP技术）是一种新型的非接触式的印刷技术，帮助电池实现超密电池，提升电池转换效率。根据公司公告，该技术能在特定柔性透光材料上涂覆所需浆料，采用高功率激光束高速图形化扫描，将浆料从柔性透光材料上转移至电池表面，形成栅线。采用该激光转印技术开发的设备可替代现有高效太阳能电池产线中的丝网印刷机设备。PTP技术能轻松实现25μm以下的线宽，进而实现更优的高宽比，帮助电池实现超细密栅电池，匹配选择性发射极技术，提升电池转换效率。 PTP技术加工过程中无需接触电池表面，或将对大尺寸硅片以及薄片化的硅片，加工过程中的压力降低可以显著降低电池的破碎率，提高生产的良率，进而降低生产成本。根据2021年5月公告，该项目的研发设备尚未获得客户订单，但是已有样机在客户端进行工艺测试验证。 表1：激光转印技术的主要优势 4喷墨印刷技术：仍处于初期研发阶段 根据《免转印的金属网格透明电极制备及其柔性聚合物太阳能电池应用》，喷墨打印技术是一项可直接编程复杂图案的技术，具备成本低廉、环保、大面积制备等优点，在以功能材料图案化为基础的高性能光电器件中获得较为广泛的应用。因此，利用喷墨打印的图案化控制能力，实现金属网格几何尺寸的精细控制。 在金属栅线印刷过程中，考虑使用喷墨印刷方式的初始动机在于，一般印刷电极所使用的银浆需要高温烧结金属，但是高温制备并不适合在柔性基地上进行，并且也不适用于异质结所需的低温银浆，因此逐渐衍生出直接喷墨打印银纳米线水墨以实现较高的光电性能的需求。 喷墨打印技术的优势具体体现在：1）非接触式打印，能适用于超薄或柔性电池；2）由于金属耗量低、无需网版或刮刀等耗材，实现低成本金属化工艺；3）通过纳米材料，可以用于低表面掺杂浓度接触。 在最新研发进展上看，根据迈为股份公司公告，公司在喷墨印刷试验平台项目正在开展相关研发活动。该项目通过研发一种新的喷头结构，叠加全新的浆料喷墨控制系统，应用于太阳能电池片浆料的喷印。通过多次试验，对不同黏度的浆料进行喷印，并达到所要求的线条的高度、直线度，宽度，湿重等技术参数。喷墨印刷技术能做到对浆料的精细控制，较传统的丝网印刷工艺更有优势，尤其是在成本、质量和效率方面。目前光伏电池电极印刷工艺多为丝网印刷，但是伴随该项目研制成功后，可以完全推广到光伏行业，实现度电成本的降低，进而推动光伏行业的发展。 但喷墨印刷仍存在控制精准度较低的问题：相比较于激光转印技术，在栅线的高宽比控制方面存在一定劣势，进而影响电池片表面的遮挡面积，降低最终的光电转换效率。目前喷墨印刷技术尚未在下游实现产业化应用。 5风险提示 1）光伏下游需求不及预期。如果未来国内外疫情反复，则可能会影响光伏新增装机需求。 2）电池技术路径变化。目前市场主流的N型电池片技术包括TOPCon以及异质结电池等，但是光伏电池技