一周解一惑系列：激光设备如何赋能光伏行业发展？

本周关注：四方达、应流股份、北路智控、东威科技 本周核心观点：接近业绩披露期，三季报成为市场关注点。优先推荐三季报业绩较好的设备标的。当前人形机器人、新能源行业新技术、新工艺层出不穷，虽短期市场预期波动较大，但发展方向明确，仍需给予持续关注。 激光是提高光伏光电转换效率的“超级武器”。光伏产品对于光电转换效率“锱铢必较”，激光可用于掺杂、开槽、转印、无损划片以及打孔技术等，能有效提高光电转换效率，是光伏技术升级的必备“武器”。 专用激光设备：已成各类电池片技术必配工艺。1）激光消融及激光掺杂率先在PERC电池中实现量产化应用，分别提升1.2%和0.2%-0.3%左右转换效率。 2）在TOPCon电池领域，激光掺硼技术可进一步实现降本提效，将持续走向更低的设备投资额及更高转换效率的方向，有望成为未来新增TOPCon产线的标准配置。3）在HJT领域，激光LIA技术可提升电池转换效率，目前已进入小批量验证阶段，潜力可期。4）IBC电池领域，激光消融技术相比传统丝网印刷以及湿法刻蚀工序更为简易，提升IBC电池竞争力。5）钙钛矿电池作为最具潜力的电池技术，激光工艺最多可应用5道步骤，激光设备将率先受益。 通用激光设备：核心为了省银。光伏电池金属化成本居高不下仍为限制新型电池技术发展的因素之一，潜在解决方案包括激光转印以及铜电镀等工艺方式，激光设备在其中均扮演重要角色。激光转印采用高功率激光束高速图形化扫描形成栅线，铜电镀工艺通过激光器实现掩膜图形化，为电镀沉积金属的前道工艺。 此外，在MWT电池中，高精密激光打孔已成为电池核心工艺，提升光电转换效率0.4%左右。组件端的激光无损划片以及光伏玻璃打孔，配合新组件工艺，提升组件光电转换效率以及使用寿命。 预计2025年激光设备行业市场空间达到68亿元，CAGR=53%。根据我们的测算，2025年，专用激光设备订单市场空间有望达到36亿元，通用激光设备订单市场空间达到32亿元，合计达到68亿元，2020-2025年CAGR达52.97%。 激光设备竞争激烈，多个方向有待突破。专用设备：1）TOPCon激光掺杂设备成为主要竞争赛道，布局企业最多。其核心原因在于①TOPCon电池产能扩张进入高峰期，②激光掺杂技术有望成为标配工艺，③激光硼掺杂或具备从PERC激光掺杂迁移的可行性。2）PERC激光掺杂以及PERC激光消融设备生产经验较为成熟。但主要考虑到PERC未来或逐渐被淘汰，对应设备市场空间将逐渐缩小。 3）钙钛矿激光刻划设备也有4家企业布局，激光为标配工艺，企业希望通过优先布局获得先发优势。通用设备：激光划片设备因工艺难度较低，布局企业更为多元化。我们更加看好激光设备在激光转印、电镀铜图形化及MWT激光打孔中的应用。目前来看，虽然技术成熟度相对较低，但是研发生产同样存在技术壁垒，前瞻性的业务布局将为企业构筑强竞争壁垒。 投资建议：建议关注具备激光设备生产能力的企业帝尔激光、海目星、捷佳伟创、迈为股份、英诺激光、大族激光、芯綦微装、华工科技、德龙激光等。 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，激光工艺研发进展不及预期。 1激光设备：拓宽应用场景，助力国内高端制造 激光是指原子受激辐射的光，故名“激光”。原子中的电子吸收能量后从低能级跃迁到高能级，再从高能级回落到低能级的时候，所释放的能量以光子的形式放出。被引诱（激发）出来的光子束（激光），其中的光子光学特性高度一致。因此激光相比普通光源具有单色性、相干性、高亮度及高方向性。 激光是提高光伏光电转换效率的“超级武器”。光伏产品对于光电转换效率“锱铢必较”，激光可用于掺杂、开槽、转印、无损划片以及打孔技术等，能有效提高光电转换效率，是光伏技术升级的必备“武器”。 图1：激光设备在不同电池技术路径下的应用 2专用激光设备：激光已成为电池制造中必配工艺 2.1PERC电池：激光消融、激光掺杂等已成标配技术 PERC电池是通过在电池背面增加钝化层，阻止载流子在一些高复合区域的复合行为，减少电损失，同时可以增强电池下表面光反射，减少光损失，从而提高电池的转换效率，提高电池的性能。然而，在PERC电池技术中，背面电极透过钝化层实现微纳米级高精度的局部接触是技术难点之一（实现钝化膜精密刻蚀+不能损伤硅衬底材料）。 图2：常规全铝背场电池和PERC电池的结构比较 激光消融（刻蚀）技术：利用激光在硅片背面进行打孔或开槽，将部分的AlOx与SiNx薄膜层打穿露出硅基体，背电场通过薄膜上的孔或槽与硅基体实现接触。 相比较传统的湿法刻蚀工艺，激光消融技术能定位最优化的能量密度分布，精确控制激光作用时间，同时保证每个脉冲严格一致。激光消融设备目前已成为PERC生产流程中不可或缺的关键性装备。PERC激光消融技术的应用，使单晶电池实现1.2%转换效率的提升。 激光SE掺杂技术：通过激光掺杂技术，在金属栅线与硅片接触部分进行重掺杂，而电极以外位置保持轻掺杂（低浓度掺杂），这种结构减少发射极表面少子的复合，而金属电极和发射极之间又能形成良好的欧姆接触，从而获得更高的短路电流、开路电压和填充因子，提高太阳电池转换效率（光电转换效率绝对值提升0.2%-0.3%左右）。 图3：激光SE电池技术原理 实现选择性发射极电池制备的主要工艺包括丝网印刷掺杂源高温扩散法、离子注入法以及激光掺杂法。激光掺杂法以扩散产生的磷硅玻璃层为掺杂源，利用激光可选择性加热特性，在太阳电池正表现电极区域形成选择性重掺杂n++重掺杂区域，提高电极接触区域的掺杂浓度，降低接触电阻，从而有效地提高转换效率。 受益于显著的转换效率提升，激光消融设备和激光掺杂设备目前已成为PERC新建产能的必需工艺。从设备价值量上看，单GW设备投资额约为0.1亿元，占PERC电池整线设备投资额的10%左右。由于PERC用激光设备工艺较为成熟，规模化生产达到一定瓶颈阶段，未来降本空间不大，预计未来单GW设备投资额将继续维持在0.1亿元左右。 2.2TOPCon电池：激光硼掺，从“可选”走向“标配” 从技术原理上看，TOPCon激光硼掺工艺原理与PERC+SE中的激光SE设备基本相同，通过实现局部重掺，提升光电转换效率0.2%-0.4%。最大的差异在于扩散材料本身存在差异，PERC电池扩散磷，而TOPCon电池扩散硼。尽管扩散工艺基本相同，但是扩硼难度比扩磷难度更大：主要由于硼在硅中的固溶度更低，导致扩硼难度提升。 设备投资额：根据海目星2022年4月16日公布的中标公告看，10.67亿中标规模或对应晶科40-50GW的TOPCon产能，预计对应的单GW设备投资额约为2134万-2668万。我们预计随着设备厂商量产规模的不断扩大叠加设备生产技术的不断成熟，未来单GW设备投资或降低到2000万元甚至以下水平。 在《机械行业周报20220424：影响激光掺杂设备短期替代程度的因素分析》报告中，我们针对TOPCon激光掺杂设备对电池降本水平做了相应的敏感性分析，根据测算，在应用激光掺杂技术的乐观假设下，激光掺杂技术增益0.40%，且对应设备投资额仅需2000万/GW的情况下，单W电池片成本或降低1毛钱，即1000万元/GW的降本空间，具备显著的经济性，即投资回收期在2年左右。 回溯光伏设备的发展路径，随着技术和工艺的不断成熟，我们判断，长远来看，TOPCon激光掺杂设备将持续向着更低的设备投资额以及更高的转换效率去发展，有望成为未来新增TOPCon产能的标准配置。 表1：光伏电池的降本空间分析 2.3HJT电池：激光LIA技术，提升电池转换效率，潜力可期 Light-Induced Annealing（LIA）：α-Si：H/c-Si的界面存在大量的界面态（Si悬挂键），研究发现，在光照的情况下，对此结构进行加热退火，可以有效减少界面态（Si悬挂键）密度，降低界面复合，从而提高非晶硅的钝化效果。这个现象称之为光诱导退火，简称LIA；HJT电池结构中，存在α-Si：H /c-Si的界面； 在光照情况下，对HJT电池进行加热退火，发现电池转换效率明显上升，主要体现在Voc和FF的提升上。 通过超高功率激光照射HJT电池片，产生大量光生载流子改变α-Si：H中氢的价态，使得α-Si：H/c-Si界面复合降低，因此能提升HJT电池的Voc；并且能够改善TCO层导电性能，降低Ag/TCO的接触电阻，从而提高HJT电池的FF。 最终实现转换效率的提升。除此以外，在HJT电池上，LIA技术同时能减少电池片的暗衰减，延长电池组件的使用寿命。 在HJT电池中的应用方面，帝尔激光的激光修复技术通过激光均匀辐照，整幅面激光辐照均匀性可达5%以内，满足230mm以下尺寸电池片高光强辐照，提高非晶硅的钝化效果，提升电池开路电压，同时改善银浆与衬底的接触，大幅提高填充因子，进而提升转换效率。 技术进展：小批量验证阶段，随着工艺的不断成熟，激光LIA设备有望实现批量出货：2020年11月，帝尔激光获得欧洲客户量产订单，产品主要系HJT高效电池的激光LIA设备，总金额达1000多万元；2021年4月27日，激光LIA设备出厂，装机发往欧洲。根据帝尔激光公司公告，此次出口的一批设备具有“千瓦”级光强、“秒”级加工时间、“片”间主动控温系统、全幅面“匀“化辐照等传统光源及设备无法实现的优异性能，可以帮助客户的HJT电池产品效率大幅提升。 图4：帝尔激光LIA设备出厂 2.4IBC电池：激光消融技术，简易灵活，提升IBC电池竞争力 IBC（指交叉背接触）电池是指电池正面无电极，正负两极金属栅线呈指状交叉排列于电池背面。IBC电池最大的特点是PN结和金属接触都处于电池的背面，正面没有金属电极遮挡的影响，因此具有更高的短路电流密度，同时背面可以容许较宽的金属栅线来降低串联电阻，从而提高填充因子，加上电池前表面场以及良好钝化作用带来的开路电压增益，因此IBC电池不仅转换效率高，而且看上去更美观。 图5：IBC太阳电池结构示意图 IBC电池的工艺相比传统太阳能电池更为复杂。IBC电池工艺的关键是如何在电池背面制备出呈叉指状间隔排列的P区和N区，以及在上面分别形成金属化接触和栅线，其中重点的工艺主要集中在扩散掺杂、钝化镀膜、金属化栅线三个方面，其中激光设备可实现替代的工艺主要系图6中的步骤4以及步骤8，对应两道激光步骤。 步骤4：掩膜法制备PN结。常见的定域掺杂的方法为掩膜法，可以通过以下方式制备：①光刻法：可以通过光刻的方法在掩膜上形成需要的图形，这种方法的成本高，不适合大规模生产。②印刷法：通过丝网印刷刻蚀浆料或者阻挡型浆料来刻蚀或者挡住不需要刻蚀的部分掩膜，形成需要的图形，这种方法成本较低，但对电池背面图案和栅线的设计要求非常高，存在丝网印刷的对准精度问题和印刷重复性问题。③激光法：激光也是解决丝网印刷局限性的一条途径。无论是间接刻蚀掩膜，还是直接刻蚀，激光的方法都可以得到比丝网印刷更加细小的电池单位结构，更小的金属接触开孔和更灵活的设计。 步骤8：钝化膜去膜。传统IBC电池主要采用光刻（湿法刻蚀）或丝网印刷刻蚀浆料工艺，但是该方法工艺复杂、成本较高、难以在太阳能电池领域大规模量产。 然而，无损激光消融技术可以替代传统工艺，应用于IBC电池背面钝化层开膜，实现背面P-N钝化膜层的精准消融，简化工艺流程，大幅度降低生产成本，提高IBC电池的竞争力。 图6：IBC电池工艺流程 图7：IBC电池与传统铝背场电池对比增加工序 关于设备价值量，根据帝尔激光公布与隆基绿能的日常经营合同的公告，2022年度，帝尔激光与隆基系新签合同金额总计约6.0亿元。期间，隆基绿能HPBC电池产能建设规模系30GW，由此，我们推断，BC技术路线下，单GW的激光开膜设备投资额约为2000万元。 2.5钙钛矿电池：最多5道激光工艺，单结电池必备环节 钙钛矿电池极限转换效率总体高于晶硅电池，优势突出。在理论极限上，晶体硅太阳能电池、普通单晶硅电池、HJT电池、TOPCon电池的极限