光电路径提效+降本之电镀铜：技术主流路线分析、经济效应及规模测算

行业报告|行业专题研究 证券研究报告 2023年01月12日 光电路径提效+降本之电镀铜： 技术主流路线分析、经济效应及规模测算 分析师李鲁靖SAC执业证书编号：S1110519050003 作者： 联系人张钰莹 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明 摘要 电镀铜技术：参考半导体、PCB领域电镀铜工艺，光伏电池通过制备种子层、图形化环节、电镀、后处理四大环节制作铜的非接触式金属化电极，实现“以铜代银”，制成包括种子层、粘合层、传导层、焊接层的电极。迈为股份联合SunDrive研制的铜电镀HJT电池转化效率屡创新高，现已达到26.41%，未来或仍有提升空间。 增效：据ISFH研究，PERC/TOPCon/HJT电池理论效率极限为24.5%/28.7%/27.5%，HJT电池是未来主流路径之一。而HJT电池的低温银浆为纯银和有机物的混合物，其本身较差的材料导电属性需要通过更宽的电池栅线来弥补。电镀铜技术由于应用了导电性较好的纯铜浆料解决了大线宽的光学损失问题，使得光电转换效率得到明显提升。 降本：制备成本方面，以铜代银的去银化路径直接去除了主要非硅成本——银耗，低温银浆价格接近铜价的100倍，低温银浆约6500元/kg、铜价为70元/kg左右。我们以6500元/kg的银浆价格进行敏感性分析测算，若目前电镀铜路线量产良率达25%及以上，则相比传统丝印银浆已经具备明显成本优势，当良率不断趋近丝印银浆方式时，单GW非硅成本降本金额将接近1亿元。 电镀铜路线：设备市场空间几何？ 爱旭、海源复材、晶澳、天合、晶科、爱康、日升、隆基、迈为等厂商均在布局电镀铜路线的HJT电池下游应用。目前图形化、电镀两大核心环节的电镀铜设备厂商均在积极布局，其中电镀环节厂商均已进行到中试线及以上。我们统计测算得到，随着N型电池/非银电极/铜电镀的技术渗透，22/26年电镀铜设备市场空间约1.4/55.9亿元。 建议关注：1）图形化环节设备：芯碁微装、迈为股份、捷佳伟创、爱康科技、帝尔激光等；2）电镀环节设备：东 威科技、罗博特科、宝馨科技等。 风险提示：光伏装机量不及预期；HJT电池量产速度低于预期；电镀铜技术推进进展不及预期；存在主观性预测使得测算结果与未来事实存在偏差等。 2 目录 1、N型电池渗透率不断提高，电镀铜去银化路线引领降本增效新风向 2、电镀铜包含四大环节，图形化和电镀环节为两大核心工艺 3、长坡厚雪赛道，核心环节厂商降本突围指日可待 4、行业快速导入期在即，关注2023年量产验证情况 3 1.N型电池渗透率不断提高， 电镀铜去银化路线引领降本增效新风向 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明4 1.1N型电池渗透率不断提升，降银任务首当其冲 资料来源：CPIA《2021年中国光伏产业发展路线图》，新能源网，晶科能源官网，天合光能公众号，天风证券研究所 5 PERC主流电池技术逼近极限，N型电池渗透率不断提高。 从效率极限角度，PERC电池转化效率已接近极限，据ISFH研究，PERC/TOPCon/HJT电池理论效率极限为 24.5%/28.7%/27.5%，N型电池理论效率极限高于P型电池，TOPCon与HJT技术提效潜力大。 从结构与性能角度，N型电池少子寿命更长，开路电压高；解决光致衰减问题，稳定性好；双面率高，发电量大；温度系数低，更耐高温，综合性能强于P型电池。 从扩产角度，我们认为2022年是N型电池元年，据SMM统计，2023年N型规划产能超300GW，预计22年底共有88.2GW建成，N型电池未来已来。 表：2021-2030年各电池技术平均转换效率变化趋势 分类 2021 2022E 2023E 2025E 2027E 2030E P型多晶 BSFP型多晶黑硅电池 19.5% 19.5% 19.7% - - - PERCP型多晶黑硅电池 21.0% 21.1% 21.3% 21.5% 21.7% 21.9% PERCP型铸锭单晶电池 22.4% 22.6% 22.8% 23.0% 23.3% 23.6% P型单晶 PERCP型单晶电池 23.1% 23.3% 23.5% 23.7% 23.9% 24.1% N型单晶 TOPCon单晶电池 24/0% 24.3% 24.6% 24.9% 25.2% 25.6% 异质结电池 24.2% 24.6% 25.0% 25.3% 25.6% 26.0% IBC电池 24.1% 24.5% 24.8% 25.3% 25.7% 26.2% 注：1.背接触N型单晶电池目前处于中试阶段；2.均只记正面效率。 表：P型与N型电池参数对比 P型电池 N型电池 掺杂物分凝系数 B：0.8 P：0.35 少子寿命 20~30μs 100~1000μs 功率衰减 大；在基区 小；在发射区 初始光致衰减 有 无 温度系数 -0.35%/℃ TOPCon: -0.3%/℃ 双面率 70% TOPCon:85% 1.1N型电池渗透率不断提升，降银任务首当其冲 N型电池单瓦银浆耗量显著高于P型，其中HJT电池银浆非硅成本占比超50%。 银浆耗量高的原因：HJT电池由于膜层原因采用低温工艺、不能高温烧结，只能采用低温银浆，而低温银浆为纯银和有机物的混合物，导电性能较差，因此HJT电池需要耗用更多的银浆，大线宽会增加光学损失。主流细栅线宽度约30μm，而HJT栅线宽度约为40μm。 因此，降银成为HJT电池降本的首要路径，主要包括激光转印、MBB、银包铜与电镀铜技术路径。 从成熟度来看：四种路径中，前3类相对更成熟，激光转印已进入量产验证阶段，多主栅在量产中提升主栅数量，银包铜小批量产完成；而电镀铜技术尚处于研发阶段，技术验证逐渐深入，趋向规模化节点。 从降本程度来看：前3种路径皆属于降银化路径，激光转印/0BB可节省30%-40%银耗量；2021年HJT平均银耗190mg/片，据华 晟公告12BB银耗量已降至150mg/片，相比节省21%，叠加银包铜有望节省近50%银耗量。随着银包铜浆料今年底明年初有望迈入 量产，在光伏行业降本增效的大主题下，去银化或为终局。 图：N型电池单片银浆耗量高于P型电池 （单位：mg/片） 图：HJT电池银浆成本占比显著高于PERC电池 表：4种降银路线的比较 资料来源：CPIA《2021年中国光伏产业发展路线图》，智研咨询，华晟新能源公众号，Solarzoom智库公众号，索比咨询公众号，帝尔激光公司公告，苏州固锝公司公告，迈为股份公司公告等，天风证券研究所 6 200 160 120 80 40 0 190 145.1 96.4 PERCTOPConHJT PERC成本构成 4% 5% 9% 22% 58% 2% 硅片 BOM 动力人力设备制造 HJT成本构成 激光转印 MBB 银包铜 电镀铜 降本原理 栅线更细 栅线更细 铜替代部分银 铜完全替代银 成熟度 小批量产 MBB量产 小批量产 技术验证中 银耗量 节省30%-40% 0BB：预计节省30%-40% 12BB：已降至 150mg/片 22年降至 100mg/片 零银耗 最新进展 帝尔激光设备订单开启交付 0BB：迈为测试中，23Q1导入客户中试12BB：华晟实现量产 苏州固锝浆料可靠性测试通过，数家客户小批量产完成 多家厂商技术验证深入 4%6% 2% 7% 49% 32% 资料来源：Wind，长江有色金属网，激光制造网公众号，迈为股份官网，天风证券研究所 7 1.2电镀铜去银化路线降本又增效，颠覆浆料成本问题 低温银浆国产化进程尚未完成，银价居高不下，去银化路线或能彻底解决长久以来困扰光伏行业的降银成本问题。 高温银浆国产化率逐步提高，低温银浆仍依赖进口，日本ELEX主导市场，国内厂商如苏州固锝抢抓机遇导入市场中。 贱金属铜价格显著低于银，据长江有色金属网，2022年12月7日银价为5065元/千克，铜价为66.55元/千克，铜代替银可有效降 本。 另外，电镀铜电极宽度相比低温银浆电极显著减小，因此电镀铜技术可以增加光电转换效率。 HJT低温银浆的有机杂质使导电受阻，丝网印刷线宽约40μm；而铜的电阻率及电导率仅次于银，电镀铜的纯铜栅线导电性能优于含杂质的低温银浆，线宽有望降至25μm以下，减小光学损失，因此“去银化”的同时实现了更高的转换效率。迈为股份联合 SunDrive研制的铜电镀HJT电池转化效率屡创新高，现已达到26.41%，未来或仍有提升空间。 图：银价居高不下表：铜的电阻率及电导率仅次于银 单位：元/千克 金属 电阻率(*10-8Ω·m) 电导率(*107S/m) 银 1.59 6.29 纯铜 1.68 5.95 金 2.40 4.17 铝 2.66 3.76 镍 6.84 1.46 铁 9.71 1.03 7000.00 6000.00 5000.00 4000.00 3000.00 2000.00 1000.00 0.00 2020-12-072021-06-072021-12-072022-06-072022-12-07 备注：以上为金属在20℃的物性参数 2.电镀铜包含四大环节， 图形化和电镀环节为两大核心工艺 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明8 资料来源：《电镀铜技术在电子材料中的应用》余德超等，《硅异质结太阳电池接触特性及铜金属化研究》俞健等，全球光伏公众号，《2020年中国光伏技术发展报告——晶体硅太阳电池研究进展(7)》，迈为股份公司公告，PVTECH，天风证券研究所 9 2.1电镀铜四大环节替换传统丝印工艺环节 电镀铜工艺原理：参考半导体、PCB领域电镀铜工艺，光伏电池通过制备种子层、图形化环节、电镀、后处理四大环节制作铜的非接触式金属化电极，实现“以铜代银”，制成包括种子层、粘合层、传导层、焊接层的电极。 PCB（印刷电路板）、IC封装、大规模集成线路（芯片）等电子领域都需要通过电镀铜技术实现电路结构。 铜电镀与传统丝网印刷银浆环节的前两道工艺制绒环节、PVD溅射环 节相同，差异主要在TCO膜制备工序之后：传统HJT产线在TCO膜制备之后采用银浆印刷，而铜电镀则把银浆丝网印刷替换成制备铜栅线 的图形化和金属化两大工序。 图：电镀铜技术的工艺流程示意图 电镀铜四大环节 目的与原理 制备种子层 镀层和TCO间主要通过范德华力进行物理接触，易引起电极脱落；且铜扩散至硅基底中损坏器件。一般通过PVD设备蒸镀/溅射在TCO表面沉积100nm极薄铜/镍/铜镍/铜镍银等种子层，可提高镀铜的附着性能，并通过快速烧结强化附着力 图形化环节 涂覆感光材料后，将感光材料不需要镀铜的部分曝光变性，并显影洗去未曝光变性的需要镀铜的部位使其裸露出来，以实现后续选择性电镀环节 电镀 电解过程，通过在电解池中还原Cu离子实现较高均匀性和产能的镀铜 后处理 为防止铜氧化进行镀锌/其他抗氧化剂；清洗掉之前曝光变性的剩余感光材料；刻蚀掉电极外的多余种子层 传统丝网印刷工艺 电镀铜工艺 清洗制绒 双面PECVD镀a-Si膜 （p/i/n） PVD沉积种子层（并快速烧结） 双面PVD镀TCO膜 图形化环节 电镀 银浆丝网印刷 后处理环节 烧结 光再生 测试 图：电镀铜异质结电池HJT的结构表：电镀铜四大环节 2.2电镀铜四大环节包含多项工艺步骤 铜电镀具体工艺流程较为复杂，四大环节包含了共计7-9项工艺步骤。 制备种子层/图形化环节/电镀环节/后处理环节分别包括1/3/1/3个步骤。 其中，图形化环节依次包括涂覆感光材料、曝光固化、清洗显影3步骤；后处理环节依次包括镀锡抗氧化、去感光材料、刻蚀种子层3步骤。 综上，电镀铜四大环节、多项工艺步骤可被简要概括为图形化+金属化：图形化包括沉积种子层、图形化环节，金属化包括电镀环节、后处理环节。 （一）图形