光伏新技术系列：TOPCon电池专题-TOPCon引领P型转N型，技术迭代初期性价比为王

TOPCon引领P型转N型，技术迭代初期性价比为王 光伏新技术系列：TOPCon电池专题证券研究报告 太平洋证券研究院新能源团队刘强执业资格证书登记编号：S11905220800012022年10月9日 报告摘要 1、TOPCon与Perc的兼容性带来成本优势，新结构打开增效空间 工序上，TOPCon与Perc步骤部分兼容，TOPCon路线磷扩改为硼扩，增加隧穿层及Poly层的制备，删去了激光开槽工序，新技术中，TOPCon产线建设成本较低。结构上，TOPCon是一种基于选择性载流子原理的隧穿氧化层钝化接触（TunnelOxidePassivatedContact）太阳能电池技术，通过背面氧化层有效降低表面复合和界面复合，较大幅度提升效率。 2、TOPCon降本增效路径较明确，有望借力TBC与钙钛矿叠层进化为未来技术 电池片降本增效可以从两个角度出发：1）降低光学损失方面，可以通过优化绒面结构、细栅线、增加增透膜、改善背面面貌等降低损耗；2）降低电学损失方面，优化硅片性能、SE激光工艺等。未来技术发展上，随着TBC技术成熟，TBC大规模产业化有望在2024年开启，最终走向钙钛矿叠层技术。 3、对比市场其他技术路线，TOPCon在当前时点性价比高 当前时间点，TOPCon与Perc单位成本差异逐步减少，单位溢价可观，TOPCon是新技术中性价比最高的。TOPCon盈利能力有望在2023年持续提升，优质企业盈利能力将凸显。 4、研发能力强、投产节奏快、团队精细化管理能力强的企业有望充分收益 晶科能源产能扩张最快，截至2022年第三季度已有16GW产能实现满产，有望充分享受窗口期溢价。中来股份研发TOPCon较早，TOPCon3.0落地后，有望跃居行业前列。钧达股份并购捷泰科技，产能落地快且产线数据优秀。 5、风险提示 技术升级不及预期，新增装机增速不及预期，行业竞争加剧。 目录Contents 1 TOPCon工序：与Perc兼容设备成本低，新结构打开增效空间 2 TOPCon成长性：降本增效路线明确，借力钙钛矿叠层走向未来 3 TOPCon盈利性：成本即将持平Perc，技术迭代窗口期充分享受溢价 4 相关企业分析：新技术带来格局变化，关注团队能力与发力时机 5 风险提示 1.1 提高光电转换效率是永恒命题，TOPCOn是现阶段P型转N型主力军 TOPCon为N型电池的技术路线之一，凭借明显的优势有望替代P型电池成为新一代电池技术。目前光伏行业主流为P 型电池（PERC技术为主），其制造工艺简单、成本更低。相比传统的P型电池，N型电池具有转换效率高、双面率高、 温度系数低、几乎无光衰、弱光效应好等优点，但制造工艺复杂、成本更高，被行业普遍认为是下一代的电池技术。TOPCon电池技术为N型电池主流技术路线之一。 图1：电池技术发展路径 N型半导体多数载流子是电子，电子有效质量更低，迁移速率高。在相同导电能力情况下，N型杂质少，因此少数载流子寿命更高，能够直接影响开路电压和短路电流，因此拥有更高的光电转换效率。 注： 1.少子寿命标志：少子浓度减少到原值的1/e所经历的时间。 2.PN结：P、N型半导体接触发生载流子移动，在它们的交界面就形成空间电荷区称为PN结。 1.1 钝化接触结构降低复合损耗，打开增效空间 TOPCon是一种基于选择性载流子原理的隧穿氧化层钝化接触（TunnelOxidePassivatedContact）太阳能电池技术，是N型硅衬底电池。TOPCon电池的概念由德国弗劳恩霍夫太阳能系统研究所（Fraunhofer-ISE）于2013年提出。在TOPCon电池的背面制备一层1～2nm的超薄氧化硅（隧穿氧化层），然后再沉积一层20nm左右的掺杂多晶硅薄层，二者共同形成了钝化接触结构作为电池背面钝化层，有效降低表面复合和界面复合，提高开压，为电池的转换效率进一步提升提供了更大的空间。 正电极 p型硅 减反层 发射层吸收层 钝化层 隧穿氧 化层 n型硅 多晶层 减反层 正电极 PERC 电池 磷扩散改硼扩散 隧穿层及Poly层制备 Topcon 电池 图2：Perc与TOPCon结构对比图3：TOPCon电池结构 1.2 具有与Perc产线的兼容性，助力TOPCon引领P转N型 图4：TOPCon工序与Perc兼容性高 在P型电池的工艺基础上，TOPCon电池将磷扩散改为硼扩散，增加了隧穿层及Poly层的制备步骤，取消的工序是激光开槽。TOPCon电池的设备基本延续了PERC产线的基本配置，是基于 PERC电池的升级。 它在工艺流程上与PERC的主要区别在于： 1）将磷扩散改为硼扩散：P型PERC电池采取的是磷扩散工艺，而N型TOPCon电池采取的是硼扩散； 2）增加了氧化和沉积多晶硅：增加隧穿氧化层的制备，沉积掺杂n+非晶硅或微晶硅层，再经过退火得到多晶硅； 1.2 LPCVD为当前主流，PECVD、PVD等多种路线并存 图5：TOPCon的氧化层、Poly层制备路径可分为LPCVD、PECVD、PVD三种 ： 隧穿氧化层及Poly膜层制备技术路径1）热氧+LPCVD沉积+离子注入/磷扩散； 2）热氧+LPCVD沉积； 3）PEALD氧化+PECVD沉积； 4）PECVD氧化+PECVD沉积； 5）PECVD氧化+PVD多晶。 1.3 LPCVD为主流，工艺成熟、控制简单 TOPCon与Perc结构上的不同点在于隧穿氧化层、Poly层。氧化层为厚度1～2nm的SiOx。通常SiOx作为绝缘层出现在半导体器件中，但由于SiOx介电层非常薄，不会阻碍多子的传输但会阻碍少子达到界面。多子通过隧穿原理实现输运，少子则由于重掺杂Poly－Si和Si之间的势垒难以通过该氧化层，因此可以显著降低界面复合。隧穿氧化层可以通过热氧化、湿法氧化、等离子辅助氧化等方法形成。 Poly层能够对超薄氧化层起保护作用，避免其遭到破坏。当前主流的制备方式有LPCVD、PECVD等工艺。此外，还有PEALD、APCVD及PVD等其他工艺路线并存。 LPCVD：是当前最主流的工艺，其工艺成熟、控制简单，但成膜速率慢。LPCVD工艺的原理是将一种或数种气态物质，在较低的压力下，用热能激活，使其发生热分解或化学反应，沉积在衬底表面形成所需的薄膜。该路线的工艺成熟、控制简单容易、厚度均匀性好、致密度高，但成膜速率慢，石英器件沉积严重。 图6：LPCVD利用热分解或化学反应，在衬底表面形成所需薄膜图7：利用隧穿原理，有效降低背面复合损失 1.3 PECVD膜层致密度不高是痛点，PVD路径成本问题是核心 PECVD：PECVD的原理是借助微波或射频等使含有薄膜组成原子的气体，在局部形成等离子体，而等离子体化学活性很强， 很容易发生反应，在基片上沉积出所期望的薄膜。PECVD技术在薄膜沉积、原位掺杂等方面效率更高，这是该技术具有潜在竞争优势的主要原因。相比LPCVD技术，PECVD成膜速度快，原则上可实现无绕镀沉积。但是缺点是厚度均匀性差、纯度低，容易产生气泡，导致膜层的致密度不高。 PVD：PVD的技术原理是在真空条件下，用物理的方法（真空溅射镀膜）使材料沉积在被镀工件上的薄膜制备技术。其优点是无绕镀、冷壁成膜速度快。但是设备的成本较高，靶材用量大，方阻均匀性较差。 图8：PECVD借助微波或射频等形成等离子体，进而进行沉积图9：PVD利用物理方法，将材料沉积在被镀工件上 1.3 离子注入单面性好，磷扩散性价比更优 目前行业内主要通过热扩散、离子注入和原位掺杂三种方式来实现TOPCon结构的Poly层掺杂。由于TOPCon结构需要良好 的电性能，因此需要在Poly层进行掺杂以提高其电性能。Poly层掺杂有两种路径，分别是原位掺杂和非原位掺杂。原位掺杂是在淀积poly过程中直接掺杂。非原位掺杂是淀积poly层完成后，再进行掺杂。非原位掺杂可选用两种方式，一是 离子注入加退火，二是磷扩散。离子注入工艺单面性较好，但是设备昂贵，产能低，大规模量产设备成本较高。磷扩工 艺单面性稍差，但可以通过工艺设计可以解决这个问题，并且磷扩散设备在光伏市场上已经十分成熟，价格较低，工艺也非常稳定。 图10：热扩散与离子注入示意图 1.3 LPCVD为主流，PECVD路径经济性有望反超LPCVD 项目 LPCVD路线 PECVD路线 PVD路线 工作原理 将一种或数种气态物质，在较低的压力下，用热能激活，使其发生热分解或化学反应，沉积在衬底表面形成所需的薄膜。 借助微波或射频等使含有薄膜组成原子的气体，在局部形成等离子体，而等离子体化学活性很强，会发生反应，在基片上沉积出所期望的薄膜。 在真空条件下，用物理的方法（真空溅射镀膜）使材料沉积在被镀工件上的薄膜制备技术。 优点 工艺成熟，控制简单容易，厚度均匀性好，致密度高 原位掺杂，轻微绕镀，冷壁成膜速率快，运营成本较低 原位掺杂，无绕镀，冷壁成膜速度快 缺点 成膜速率慢，有绕镀，需要高温，石英器件沉积严重 厚度均匀性差，纯度低，气泡问题，膜层致密度不高 设备成本高，靶材用量大，方阻均匀性偏差 成膜速度 3-6nm/分钟(本征)；1-3nm/分钟(原位掺杂) >10nm/mins（原位掺杂） >10nm/mins（原位掺杂） 掺杂方式 二次掺杂磷扩散或离子注入结合退火 原位掺杂 原位掺杂 薄膜绕镀 绕镀，需增加额外刻蚀，且刻蚀控制较为复杂 原则上可实现无绕镀沉积，轻微绕镀也易清洗 预期无绕镀 工艺时间 本征多晶硅沉积（>120分钟）磷扩散或离子注入结合退火 掺杂非晶硅沉积（20-40mins），晶化退火 （30mins） NA 产品良率 97%-98% 预期较LPCVD高，待验证 97%（中来） 设备需求 扩散炉或离子注入机/退火炉，刻蚀机 晶化处理需要退火炉，取决于技术方案的配套设备 隧穿氧化层需PECVD制备，晶化处理需退火炉，取决于技术方案的配套设备 设备价值量 4500-5500万元/GW 3500-5000万元/GW 常见问题 绕镀，石英器件沉积严重 气泡，掉粉 方阻均匀性 设备厂商 LAPLACE，SEMCO，Tempress，普乐 金辰，捷佳伟创，MB，红太阳等 杰太 表1：LPCVD、PECVD、PVD路线对比 目录Contents 1 TOPCon工序：与Perc兼容设备成本低，新结构打开增效空间 2 TOPCon成长性：降本增效路线明确，借力钙钛矿叠层走向未来 3 TOPCon盈利性：成本即将持平Perc，技术迭代窗口期充分享受溢价 4 相关企业分析：新技术带来格局变化，关注团队能力与发力时机 5 风险提示 2.1 光伏电池降本增效是永恒命题 图11：光伏电池效率进展 当前光伏电池的实验室最高效率已达47.1%，工厂最高效率为29.1%，晶硅电池最高效 率为26.7%。根据NREL的数据， 当前光伏电池的最高效率是NREL在2020年4月利用六结太阳能电池创造的47.1%。光伏制造商到达的最高效率是汉能子公司AltaDevices在2018年12月利用砷化镓太阳能电池创造的29.1%。晶硅电池的最高效率是Kaneka在2017年创造的26.7%。 2.1 2.1 单结晶硅电池片增效路径明确，着力于降低光学损失、电学损失 光伏电池的光电转换效率是指电池的电荷载流子数目与照射在电池表面一定能量的光子数目的比率。太阳能电池的转换 效率受到光吸收、载流子输运、载流子收集的限制。而导致晶体硅太阳能电池转换效率下降的原因主要来自两个方面， 光学损失和电学损失。电学损失中影响电池效率的关键因素是金属-半导体接触复合。 图12：普通光伏电池多种损失机制表2：不同电池减小效率损失的原理 方法 原理 电池 电池背部开孔 减小金属与c-Si直接接触的面积 PERC、PERL、PERL等 新型载流子选择性钝化接触技术 实现优异的表面钝化，无需开孔便可分离与输运载流子 SHJ、TOPC