机械一周解一惑系列：光伏电池片金属化技术进展跟踪（三）

本周关注：郑煤机、景业智能、北路智控、绿的谐波 本周核心观点：当前人形机器人、新能源行业新技术、新工艺层出不穷，需关注技术变化带来的设备需求。 浆料降本对于光伏电池降本同样具备较大意义。在此前两篇“光伏电池片金属化技术进展跟踪”报告中，我们针对新型金属化工艺展开详细的研究，包括以丝网印刷为代表的接触式金属化和以铜电镀、激光转印等为代表的非接触式金属化。本篇报告将重点回归浆料本身，探索浆料降本对于光伏电池降本的重要意义。 光伏银浆是光伏电池电极的必要原材料，直接影响转换效率等电池性能。银浆在电池非硅成本中占比达到50%以上，其中银粉在银浆中占比超过97%。由于银浆单价高，耗用量大，因此对于实现光伏电池降本有着至关重要的作用。传统的高温浆料通常由导电相、有机载体和粘结相三部分构成。导电相通常由银、铜、铝及其合金构成；有机载体是聚合物溶解在有机溶剂中的溶液，它是导电相和粘结相的载体；粘结相一般包括玻璃氧化物等。浆料属于配方型产品，生产技术壁垒较高，对于银粉颗粒、成分组成等均有较高的要求。通常，根据印刷的位置不同可以分为正银和背银；根据应用电池领域的不同，可以区分为PERC银浆、TOPCon银浆及HJT银浆；根据烧结温度的不同，可分为高温银浆和低温银浆。 N型取代P型硅片节奏加快，银浆降本成为关键。TOPCon电池由于其双面属性，单张电池片所需的银浆耗量显著提升；HJT电池由于特殊的工艺属性，仅适用于低温银浆；而低温银浆较高的工艺壁垒，因此银浆价格相对较高。根据我们的测算可见，从PERC>TOPCon>HJT，不仅单瓦对应银浆成本持续提升，在非硅成本中的占比也逐渐提升：PERC、TOPCon及HJT电池对应的单瓦银浆成本分别为0.07元/W、0.11元/W、0.19元/W，对应的非硅成本占比分别为38%、49%、65%，为实现新型高效电池快速降本，银浆成为关键因素。 银浆国产化节奏加快，低温银浆前景广阔。银粉方面，全球较为出名的银粉供应商包括日本Dowa以及美国AMES，占据全球主要的高端银粉市场；国内也有一批优秀的银粉生产商包括苏州斯美特、贵研铂业、博迁新材等切入赛道，主要集中于高温银浆所需的银粉领域。在银浆方面，1）P型背面银浆由于技术难度较低，已基本实现国产化；2）正面银浆国产化比例持续提高，根据CPIA预测，从2015年的5%上升到2020年的50%左右，预计2021年有望进一步提升至55%，随着正面银浆技术不断成熟，国产银浆将引来更为广阔的市场空间；3）低温银浆：仍主要由日本KE供应，国产低温银浆仍存在一定的差距，随着上下游协力研发银浆技术，银浆银浆国产化仍值得期待。 银包铜浆料加速验证，或成降本重要渠道。银包铜的本质在于通过调节浆料中的银、铜掺杂比例，用低价金属替代高价金属从而降低整体的浆料成本。通过调整浆料中银的掺杂比例，能够将银含量从90%降低至60%上下，甚至更进一步可降低至45%上下，叠加SMBB测算可降低银浆耗量至65mg/片，甚至可以低于PERC的银浆耗量，目前华晟已率先进行银包铜产业化验证。 投资建议：建议关注布局银包铜粉的博迁新材、浆料供应商苏州固锝及帝科股份；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、金辰股份等。 风险提示：全球光伏新增装机规模不及预期，电池技术路径变化，银浆国产化不及预期等。 1光伏银浆：光伏电池电极的重要原材料 1.1银浆是制作光伏电池的必要材料 光伏银浆是电池片生产所所需的原材料之一。通过丝网印刷等印刷工艺将银浆印刷在硅片的正反两面；经过烧结后，在硅片的正反两面形成电极（即主栅和细栅）。电极在光伏电池片中起到较为重要的作用，细栅用于收集电池表面产生的电流而细栅用于汇集电流并实现导出，即电极的好坏将直接影响光伏电池的转换效率等表现。 图1：TOPCon电池结构示意图 图2：HJT电池结构示意图 根据在光伏电池片上使用位置的不同，银浆可以分为正银和背银。1）正面银浆主要起收集和传导硅片上产生的光生载流子的作用；2）背面银浆主要起粘连作用，对导电性能要求相比较正面银浆较低一些。 1.2降本核心：银浆非硅成本占比达到50%以上 银浆在电池非硅成本中的占比达到50%以上，其中银粉在银浆中的成本占比在97%以上。银粉为浆料生产的核心原材料，单价较高，耗用量较大，采购价格主要受到伦敦银价和汇率波动的影响。 传统的高温浆料通常由导电相、有机载体和粘结相三部分构成。导电相通常由银、铜、铝及其合金构成；有机载体是聚合物溶解在有机溶剂中的溶液，它是导电相和粘结相的载体，起到分散导电相和粘结相，将导电相和粘结相混合起来以便丝网印刷的作用；粘结相一般包括玻璃、氧化物晶体以及二者混合物，具有粘结导电相和基板作用。 图3：银粉在银浆中成本占比超97% 传统的高温浆料通常由导电相、有机载体和粘结相三部分构成。导电相通常由银、铜、铝及其合金构成；有机载体是聚合物溶解在有机溶剂中的溶液，它是导电相和粘结相的载体，起到分散导电相和粘结相，将导电相和粘结相混合起来以便丝网印刷的作用；粘结相一般包括玻璃、氧化物晶体以及二者混合物，具有粘结导电相和基板作用。 1）银粉是重要的导电相成分，因其导电性和导热性良好被广泛应用于导电浆料领域。光伏正面浆料用球形银粉的粒度分布范围在1.0μm-3.2μm最佳。对于光伏银浆用球形银粉的要求包括：球形度高、分散性好、粒径分布窄及振实密度高、表面性能良好等特点，才能使正面银浆产品具有较高的光电转化效率和稳定的电性能等。 图4：银粉的扫描电镜图 2）有机载体：一般使用有机载体将导电相银粉和粘接相玻璃粉混合成膏状交替，随后将正面银浆印刷到硅基板上，完后烧结后，粘接相和导电相构成电极栅线，有机载体在高温下挥发。 3）玻璃粉：核心起到腐蚀氮化硅层、构成电极，搭建起电子运输桥梁等关键作用，玻璃粉底额含量、种类等均会影响正面银浆的性能，进而影响太阳能电池的光电转换效率。 图5：玻璃腐蚀硅片机理 上图展示玻璃腐蚀硅片机理：银浆浆料涂覆在硅片的表面；通过高温烧结，玻璃熔化。一方面，玻璃粉通过腐蚀氮化硅层形成导电通道，同时在玻璃熔化的过程中，银微晶以倒金字塔的形状生长在硅基板上。 2国产化加速+银包铜验证，光伏银浆蓄势待发 2.1电池技术变革，银浆降本成为关键 N型取代P型硅片节奏加快，银浆降本迫在眉睫。P型硅片最大的问题在于硼氧复合体光衰对于转换效率的影响，n型硅片由于掺杂磷（而非硼），从最根源上消除硼氧复合体对衰减的影响。此外，n型硅片还具备少子寿命长（高出1-2个数量级）、对金属污染的容忍度较高（金属污染对少子为空子的N型硅片影响较小）等优点，因而转换效率相比较P型硅片更高。目前市场上较为主流的N型电池技术包括TOPCon、HJT以及IBC电池等。 图6：光伏电池各技术路线的演变及效率对比图 图7：2021-2030年各种电池技术市场占比变化趋势 HJT太阳能电池因其转换效率高、工艺流程简单、温度系数低以及应用潜力大等有点，成为新型高效电池的研发重点方向之一。由于硅异质结太阳能电池内部的非晶硅薄膜层受不了高温处理，因此栅线的印刷工艺需要在低温环境中进行，因此需要采用低温浆料作为栅线电极的原材料，并且选择相对低温的环境（一般温度低于250℃），对印刷的低温银浆栅线进行烘干。低温浆料通常由高纯度的银微粒、粘合剂、溶剂、助剂所组成的一种浆料，从构成上看，区别于高温浆料最为主要的差异在于低温浆料成分中不含有玻璃粉。随后，浆料通过低温烘干的方式形成金属电极。由于低温银浆制作难度较高，基本由国外企业所垄断，因此随着电池技术的快速发展，上游银浆降本的迫切度也快速提升。 由于新型电池的应用，银浆耗量以及银浆的生产要求也对应提高。例如，TOPCon电池由于其双面属性，单张电池片所需的银浆耗量显著提升；HJT电池由于特殊的工艺属性，仅适用于低温银浆；而低温银浆较高的工艺壁垒，因此银浆价格相对较高。根据我们的测算可见（2022年），从PERC电池>TOPCon电池>HJT电池，不仅单瓦对应银浆成本持续提升，在非硅成本中的占比也逐渐提升：PERC、TOPCon以及HJT电池对应的单瓦银浆成本分别为0.07元/W、0.11元/W、0.19元/W，对应的非硅成本占比分别为38%、49%、65%。 2.2银浆国产化节奏加快，低温银浆前景广阔 原本银浆以及主要的银粉都是海外生产企业所主导，但是随着市场需求的提升，更多的银浆企业进入，国产化节奏加速。 银粉：全球较为出名的银粉供应商包括日本的同和控股集团（Dowa Holdings）和美国的AMES公司等，占据全球主要的高端银粉市场。随着光伏产业的快速发展，带动银粉市场需求，国内也涌现出一批优秀的银粉生产商，包括苏州斯美特、贵研铂业、博迁新材、山东建邦胶体材料有限公司、成都市天甫金属粉体有限责任公司等。 银浆：我国光伏产业链基本实现国产化，但是浆料尚未完全实现国产替代的环节之一，但是由于光伏产业的快速发展，光伏银浆企业以及下游电池企业联合研发银浆生产技术，近年来获得较为显著的成果：其中，P型背面银浆基本实现国产化，P型正面银浆以及N型高温银浆国产比例持续提升，然而低温银浆等仍受到海外供应的限制。具体来看， 1、背面银浆：由于背面银浆的技术难度低于正面银浆，P型电池背面银浆已基本实现国产化。 2、正面银浆：受益于国产正面银浆在技术含量、产品性能以及稳定性等多方面的升级迭代，正面银浆国产化比例持续提高。根据全球光伏的数据统计，国产正面银浆市场占有率从2015年的5%上升到2020年的50%左右，预计2021年有望进一步提升至55%。国内企业包括苏州固锝、帝科股份和聚和股份等浆料企业纷纷加快国产银浆布局，我们认为未来国产正面浆料占比将继续提升，迎来更为广阔的市场空间。 图8：正面银浆市场中国企业占有率 低温银浆：低温银浆生产技术难度较高，银粉及银浆生产基本由海外企业主导。 目前HJT银浆市场占有率最大的供应商为日本KE，日本KE专注于开发低温银浆，特别是HJT电池适用的高导电性低温银浆。国内涉足HJT低温银浆的厂商包括常州聚和、苏州晶银等企业，但由于在印刷性能、体电阻率和焊接拉力等方面相比较进口产品仍存在一定的差距，因此，国内光伏电池企业所需的低温银浆仍主要从日本进口。 2.3银包铜浆料加速验证，或成降本重要渠道 目前金属电极仍以银电极为主，2021年的市场占比达到99.9%。由于银价格较高，企业及研究机构正在积极探索贱金属如铜等替代银的电极技术，主要分为银包铜浆料结合丝印技术以及电镀铜技术，其中电镀铜技术在我们此前《【民生机械】光伏电池片金属化技术进展跟踪（二）》中做过详细阐述，本文将重点就银包铜浆料的进展做进一步的分析。 图9：2021-2030年电池片正面金属电极技术市场占比变化趋势 图10：华晟银包铜测试分布 图11：华晟银包铜形貌 银包铜的本质在于通过调节浆料中的银、铜掺杂比例，用低价金属替代高价金属从而降低整体的浆料成本。目前经过迈为及华晟的验证测试，银包铜在传统PERC的高温工艺容易氧化失效，但在HJT上可以充分实施，一方面因为其低温工艺抑制其氧化，另一方面HJT细栅线承载电流较小，同时HJT的电池结构也抑制了铜在硅中的电迁移效应。 表1：迈为银包铜浆料测试参数 通过调整浆料中银的掺杂比例，能够将银含量从90%降低至60%上下，甚至更进一步可降低至45%上下，叠加SMBB测算可降低银浆耗量至65mg/片，甚至可以低于PERC的银浆耗量。根据solarzoom，目前KE在银包铜环节布局领先，而华晟目前已率先进行银包铜产业化验证。 3风险提示 1）全球光伏新增装机规模不及预期。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，但是光伏电池技术迭代更新速度较快，若市场出现新的电池技术，可能会对现有金属化技术形成一定影响。 3）银浆国产化不及预期等