TOPCon设备行业深度报告：TOPCon大规模量产，PECVD成为主流工艺

2023年02月08日 行业研究●证券研究报告 机械 行业深度分析 TOPCon设备行业深度报告：TOPCon大规模量产，PECVD成为主流工艺投资要点行业转型，TOPCon电池率先实现大规模量产：随着PERC电池量产效率逐渐接近其理论效率，行业开始转向TOPCon/HJT等N型电池。而TOPCon电池以其电池效率高、设备投资成本低、与PERC产线兼容性高等优点，率先实现大规模量产。据不完全统计，截止目前，TOPCon已投产69.75GW，规划待建产能近474GW。TOPCon存在工艺路线之争。TOPCon电池与PERC电池核心差异在于，新增隧穿氧化层，以及掺杂多晶硅层。以多晶硅层制备方法，TOPCon工艺路线分为LPCVD/PECVD/PVD路线。从工业应用角度看，掺杂多晶硅层制备方法，要求工艺简单、产能大；隧穿氧化层因其对电池整体性能影响十分关键，要求工艺制备的膜层致密度高、均匀性好。从技术角度看，PECVD法能实现LPCVD法同等制备效果，且清洗绕镀简单，工艺精简、良率预期更高。LPCVD路线技术最成熟，但有严重绕镀、原位掺杂难等问题。因绕镀，LPCVD设备需增加一倍设备；PVD路线，根据ISFH研究观点，PVD钝化效果略差。且实际运行中，维护频率高，开机率低；而PECVD路线轻微绕镀、且清洗容易，可原位掺杂、工艺精简，爆膜问题可通过电池背面微制绒解决。隧穿氧化层质量对电池效率影响至关重要。文献数据显示：从膜层密度角度看，PECVD制备的氧化层密度（2.2g/cm3）要优于LPCVD（2.15g/cm3）；从膜层均匀性角度看，PECVD法制备的氧化层粗糙度1.38nm，与LPCVD制备的氧化层粗糙度1.36nm相当。从经济性角度看，PECVD路线设备投资成本低、产能大、维护成本低、开机率高。根据皇氏集团机构调研纪录表，（1）PE路线比LP路线设备采购成本少；（2）PE路线工艺时间短，单台设备产能大，设备机台数量少，省空间，设备好布局；（3）维护成本对比：LP路线石英管寿命平均56天，石英舟寿命60天，石英件消耗162万/台/年，PE路线石英管寿命1-2年，只有正常的石墨舟消耗，LP设备的石英件消耗比PE设备费用预计多出3530万/年（5GW计）；（4）设备人员配置上，LP路线估计是PE路线的一倍以上，每天在做维护换石英管，且设备利用率较低，更换石英管需要3-4小时，期间整台设备需停机。因此，我们认为工艺稳定后，PECVD成为TOPCon主流工艺，推动TOPCon大规模量产。建议关注：光伏整线设备龙头捷佳伟创（公司推出PE-Poly，即采用PECVD路线）、光伏激光设备龙头帝尔激光。风险提示：光伏新增装机容量不及预期；市场竞争加剧风险；电池技术迭代对设备影响的风险；设备技术研发风险 投资评级领先大市-B维持首选股票评级300776.SZ帝尔激光买入-B300724.SZ捷佳伟创买入-B一年行业表现 资料来源：聚源 升幅%1M3M12M机械相对收益4.7-6.6210.59机械绝对收益7.11.35-1.45光伏设备相对收益-2.65-22.2135.5光伏设备绝对收益-0.26-14.2423.46 分析师刘荆SAC执业证书编号：S0910520020001liujing1@huajinsc.cn报告联系人何海霞hehaixia@huajinsc.cn 相关报告光伏设备：关注光伏电池片环节，关注新技术变革带来设备机会-行业点评2023.1.6光伏设备：关注光伏电池片环节，关注新技术变革带来设备机会-行业点评2023.1.6 内容目录 一、行业转型，PERC电池到TOPCon电池，道易且近4 二、TOPCon优势明显：电池效率高、温度系数低、光衰减小等6 三、从技术角度看，PECVD有望从LP/PE/PVD路线之争中胜出9 (一)制备多晶硅层，LPCVD工艺成熟，PECVD综合性能最佳10 1.LPCVD成熟度最高，但有绕镀、原位掺杂难等难题11 2.PECVD成熟度次之，但轻微绕镀、原位掺杂等优点突出15 3.PVD为物理反应过程，无绕镀，但设备Uptime略低17 (二)LPCVD/PECVD法制备隧穿层SiO2膜，膜层致密度相当18 (三)总结：TOPCon的工艺路线，PECVD有望成为主流19 (四)TOPCon各环节竞争格局及价值量拆分22 四、TOPCon路线设备布局厂商，产能统计25 五、投资建议27 （一）捷佳伟创27 （二）帝尔激光28 六、风险提示29 图表目录 图1：TOPCon电池结构图4 图2：PERC电池结构图4 图3：TOPCon电池膜层示意图4 图4：PERC电池膜层示意图4 图5：TOPCon电池隧穿层能阻挡空穴通过，而允许电子通过5 图6：根据ISFH计算，单面TOPCon电池理论极限效率为27.1%6 图7：目前，TOPCon实验室最高转换效率已达到26.40%7 图8：晶科N型TOPCon组件双面率达85%7 图9：30年，N型TOPCon组件效率不低于出厂效率87.4%7 图10：温度系数越高，功率损失越多8 图11：N型组件实时工作温度较P型组件低8 图12：N型组件弱光效应更好8 图13：TOPCon工艺与PERC工艺兼容性较高（TOPCon以离子注入工艺路线为例）9 图14：TOPCon产业化面临的主要技术问题10 图15：制备多晶硅掺杂膜，LPCVD/PECVD/PVD工艺对比10 图16：对于多晶硅膜沉积，LPCVD/PECVD/PVD三条路线对比11 图17：LPCVD法可实现制备氧化层、本征多晶硅层“二合一”11 图18：LPCVD设备示意图11 图19：LPCVD绕镀现象（左侧为本征掺杂，右侧为非本征掺杂）12 图20：湿法单面清洗示意图13 图21：清洗绕镀的原理是基于刻蚀剂对各膜层刻蚀速度不同13 图22：LPCVD原位掺杂中，掺杂浓度与沉积速度成反向关系14 图23：LPCVD非原位掺杂，磷扩散的过程14 图24：离子注入法及后续晶化示意图14 图25：PECVD设备示意图15 图26：PECVD法制备，也可能出现轻微绕镀16 图27：当硅片槽与硅片尺寸完美匹配时，绕镀问题基本消除16 图28：金字塔绒面硅片，表面足够粗糙时，没有爆膜问题16 图29：PVD沉积膜原理简图17 图30：酸刻蚀速度对比：PECVD<LPCVD<热氧化法18 图31：制备SiO2的致密度：热氧法>PE>LP>ALD18 图32：SiO2膜层均匀性对比，PECVD/LPCVD相当，ALD与热氧法最佳19 图33：TOPCon电池结构中，各类膜主流制备方法20 图34：TOPCon主要工艺路线流程（LPCVD/PECVD/PVD）21 图35：LPCVD、PECVD、PVD三条工艺路线对比22 图36：TOPCon路线各设备主要供应商23 图37：各家设备商技术路线24 图38：TOPCon在建产能已超过470GW26 一、行业转型，PERC电池到TOPCon电池，道易且近 TOPCon电池技术，是2014年由德国Fraunhofer太阳能研究所提出的一种新型钝化接触太阳能电池。德国Fraunhofer研究中心在电池背面利用化学方法制备一层超薄氧化硅(～1．5nm)，然后再沉积一层掺杂多晶硅，二者共同形成了钝化接触结构，这种技术被称为隧穿氧化层钝化接触(TOPCon)技术。 图1：TOPCon电池结构图图2：PERC电池结构图 资料来源：中来股份，华金证券研究所资料来源：摩尔光伏，华金证券研究所 图3：TOPCon电池膜层示意图图4：PERC电池膜层示意图 资料来源：晶科能源，华金证券研究所（加框注释：与PERC结构差异）资料来源：晶科能源，华金证券研究所 从电池结构正面看，PERC电池从外及里，依次为SiNx膜、N型发射极（n+）、P型硅片基底；对比，TOPCon电池由外到里，依次为SiNx膜、Al2O3膜、P型发射极（p+）、N型硅片基底。区别在于新增Al2O3膜，以及改成P+发射极、N型硅片基底。 从电池结构背面看，PERC电池由外及里，依次为SiNx膜、Al2O3膜；对比，TOPCon电池由外至里，依次为SiNx膜、N型多晶硅薄膜、SiO2膜。区别在于，去除Al2O3膜、新增N型多晶硅薄膜、SiO2膜。 各膜层的作用： 1.正面SiNx薄膜（约75nm）：由于SiNX富含氢原子，可以在热处理过程中对表面和体内的缺陷进行化学钝化，从而降低表面电子的复合。同时由于SiNX的光学特性，还可以实现电池正面和背面减反效果； 2.背面SiNx薄膜：为了避免后续金属化烧结过程浆料对膜层的破坏，SiNX依靠其化学稳定性，主要用于背部膜层的保护；同时实现减反效果； 3.Al2O3（≤5nm）由于具备较高的负电荷密度，可以对P型半导体如PERC电池背面和TOPCon电池的正面提供良好的场效应钝化，即在近表面处增加一层具有高度稳定电荷的介质膜在表面附近造一个梯度电场，减少表面电子浓度从而降低表面电子空穴的复合速率。 4.超薄隧穿层SiO2（<2.0nm）及N型多晶硅薄膜（100~200nm）：两者共同形成钝化接触结构作为电池背面钝化层，高掺杂的多晶硅（Poly-Si）层与N型硅基体之间功函数差异引起的界面处能带弯曲，使电子隧穿后有足够的能级可以占据，更易于隧穿；而空穴占据的价带边缘处于Poly-Si的禁带，不易隧穿，因此超薄氧化层可允许多子电子隧穿而阻挡少子空穴透过，从而使电子和空穴分离，减少了复合，在其上沉积一层金属作为电极就实现了无需开孔的钝化接触结构。 图5：TOPCon电池隧穿层能阻挡空穴通过，而允许电子通过 资料来源：《Insituphosphorus-dopedpolycrystallinesiliconfilmsbylowpressurechemicalvapordepositionforcontactpassivationofsiliconsolarcells》（MericFirat，etal.,2021），华金证券研究所 因此，TOPCon太阳电池的主要优点包括：（1）优良的界面钝化性能;（2）全面积收集载流子有利于提高FF;（3）结构简单无需光刻开孔;（4）可兼容现有产线工艺，适用于企业化生产。 二、TOPCon优势明显：电池效率高、温度系数低、光衰减小等 N型TOPCon双面电池效率可达到28.7%，提供了广阔发展空间。根据ISFH计算，PERC电池理论效率为24.5%，P型TOPCon电池理论效率为24.9%；P型晶硅电池转为N型晶硅电池，电池效率有明显提升。其中，N型单面TOPCon电池理论效率为27.1%，HJT电池理论效率为28.5%，N型双面TOPCon电池理论效率则达到28.7%。 图6：根据ISFH计算，单面TOPCon电池理论极限效率为27.1% 资料来源：《Onthelimitingefficiencyforsiliconheterojunctionsolarcells》（WeiLong,etal.,2021），华金证券研究所 实验室效率方面，晶科182N型TOPCon实现26.4%转换效率；而天合光能210N型TOPCon电池转换效率达25.5%；此外，隆基实现P型TOPCon电池转换效率达25.19%；而国外实验室FrauhoferISE在面积仅4cm2的电池片上实现电池转换效率25.8%。 量产效率方面，规模投产企业量产效率已达到25%。根据各公司公告，一道新能浙江衢州约6GWTOPCon产能，量产效率突破25.2%；晶科浙江海宁8GW、合肥一期8GW产线，电池量产效率达到25%以上；中来股份山西太原一期4GW项目投产，电池量产效率可达到24.8%； 图7：目前，TOPCon实验室最高转换效率已达到26.40% 资料来源：各公司公告，中国知网，《基于隧穿氧化物钝化接触的高效晶体硅太阳电池的研究现状与展望》（任程超等， 2021），华金证券研究所 高效率之外，TOPCon电池