电力设备与新能源行业深度研究：新型金属化助力降本增效，无银时代曙光乍现

行业深度研究 电力设备与新能源 年月日 买入维持评级 新能源与电力设备组分析师：姚遥（执业 新型金属化助力降本增效，无银时代曙光乍现 投资逻辑 短期来看，金属化工艺的变革是未来几年影响新型电池技术生产成本的核心。年内新型电池技术产能加速扩张趋势清晰可见，TOPCon、HJT等新技术在成本方面虽然已经实现大幅下降，但性价比仍需进一步提升。在金属化工艺中，银浆作为光伏电池生产成本中第二大、非硅成本中第一大的构成项，由于工艺原理的问题，其在新型电池技术中的单耗量相较PERC不降反升，成为影响新型电池技术降本速度进而可能影响其产业化进展的重要因素。我们认为，在硅料价格下行的趋势下，金属化工艺的演变路线将成为继电池技术路线纷争之外最值得关注的方向。 长期来看，银的贵金属属性导致其难以支撑光伏装机进入TW级时代，去银化大势所趋。2021年起，在平价、疫情、双碳等因素的共同作用下，全球新能源“潜在需求规模”急速扩张，光伏成为全球绝大部分地区最低成本电源的趋势已不可逆转，在各国将“加速清洁能源转型、提升能源独立性”提升到战略诉求高度的背景下，我们认为光伏需求将持续维持高增长，预计中性情境下2025年全球光伏新增装机将突破500GW，CARG持续维持在30%以上。但银具有贵金属属性，难以支撑光伏装机的快速增长，长远看少银化、去银化是未来光伏电池发展的必然趋势，金属化在未来几年将会成为光伏降本过程中的焦点环节。 本篇报告我们将对于市场上主流的接触式金属化工艺及未来的非接触金属化工艺进行系统性梳理，并且对新型金属化工艺的技术难点、发展情况做深入分析。 丝网印刷仍有降本增效空间，预计2-3年内仍是金属化工艺路线中的主流。从各厂商光伏电池新技术量产线上的设备选型来看，丝网印刷仍然是不可缺少的环节。从技术本身来看，丝网印刷工艺能够通过对网版材质、栅线图形化等技术细节的优化，在银浆耗量、转换效率方面仍有所突破，短期内难以被取代。 非接触式金属化工艺预计1-2年内出现大范围、大规模的量产线。近两年新型金属化工艺技术不断突破，主流设备、电池、组件厂商相继布局。考虑到非接触式金属化工艺当前所面临的缺少实证数据支撑、成本较高、量产设备尚未定型等问题，我们预计2023年非接触式金属化工艺仍会以各家企业内部研发为主，在量产设备定型后，非接触式金属化工艺有望成为行业主流，从产业实际进度及研发进展来看，铜电镀有望率先实现量产落地。 投资建议 建议关注两个方向：当前在接触式金属化环节领先且有电镀工艺储备的头部电池设备厂，重点推荐迈为股份；在非接触式金属化工艺有布局且已有中试设备较为成熟的设备厂商。建议关注芯碁微装、苏大维格、东威科技、罗博特科。 风险提示 新技术进展不及预期；行业竞争加剧风险。 内容目录 1、金属化工艺为光伏电池制作过程中的重要环节4 1.1承上启下，金属化工艺在光伏电池生产制作过程中举足轻重4 1.2电池技术加速迭代，推动浆料供应差异化5 2、接触式金属化工艺，丝网印刷仍为市场主流，改进空间大7 3、非接触式金属化工艺众望所归，为未来行业趋势10 3.1激光转印为较为成熟的非接触式金属化工艺，有望小规模放量10 3.2电镀工艺或为下一代金属化环节主流工艺，产业化步伐持续加快11 3.2.1铜电镀图形化设备及工艺详解14 3.2.2铜电镀电镀设备及工艺详解17 4、思考：从HJT角度看金属化环节走向铜电镀的必然性18 5、投资建议19 6、风险提示21 图表目录 图表1：金属化为PERC、TOPCon、HJT工艺路线必备环节4 图表2：部分元素常温（20℃）下的电阻率4 图表3：银粉在浆料中成本占比情况4 图表4：电子导电浆料构成及作用5 图表5：光伏银浆进口替代情况5 图表6：2021年中国正面银浆市场格局5 图表7：各技术路线对银浆的要求6 图表8：当前电池片环节成本结构7 图表9：全球光伏用银需求占比（吨，%）7 图表10：丝网印刷示意图7 图表11：网版参数8 图表12：丝网印刷网版变化8 图表13：多主栅技术发展路线9 图表14：通过焊带演变趋势看主栅宽度变化9 图表15：主栅技术市占率变化9 图表16：华晟异质结不同版型电池银耗变化10 图表17：激光转印原理图11 图表18：激光转印技术优势11 图表19：激光转印对不同类型电池技术银浆耗量的影响11 图表20：铜栅线较银栅线拥有多项优势12 图表21：铜栅线较银栅线固化后形貌更好12 图表22：沪铜指数（人民币/千克）12 图表23：沪银指数（人民币/千克）12 图表24：电镀铜原理图13 图表25：电镀液原材料作用13 图表26：铜电镀在电池工艺流程中的位置14 图表27：铜电镀总流程14 图表28：图形化工艺综合对比14 图表29：光刻技术分类16 图表30：传统曝光技术与LDI区别16 图表31：三种图形化方式优缺点对比17 图表32：连续垂直电镀示意图17 图表33：水平电镀示意图18 图表34：电镀技术路线主工艺流程及设备18 图表35：不同降本路线假设下HJT浆料成本的对比（元/w）19 图表36：公司九宫格产品布局20 图表37：公司太阳能电极设备及材料处于产业化进程中20 图表38：罗博特科首创新型异质结电池铜电镀设备成功交付21 1、金属化工艺为光伏电池制作过程中的重要环节 1.1承上启下，金属化工艺在光伏电池生产制作过程中举足轻重 金属化工艺是指在太阳能电池的正面和背面制作金属电极，为太阳能电池的电流输出提供通路，通常为光伏电池制作的最后一道工序。这一步骤对电极与硅界面间的接触电阻和黏结强度有重要的影响，无论在哪种电池技术路线下都必不可少。金属化工艺路线的 优化本质上是为了通过降低浆料单耗/选用低成本材料实现降本，同时兼顾/提高电池的转换效率和可靠性。 图表1：金属化为PERC、TOPCon、HJT工艺路线必备环节 来源：国金证券研究所绘制 在金属化工艺过程中，银浆通过烧结/固化与电池片正背面粘合，形成电极。电极与电池PN结两端形成欧姆接触，电极由两部分构成，主栅线和细栅线，主栅线负责接连接电池外部引线，输出电流，细栅线起到电流收集并传递到主线的作用。金属化电极浆料经过印刷涂抹在硅片上，经烧结/固化后形成电极。 导电浆料是金属化实现的关键材料。由于银的导电性好于大部分金属元素，因此行业内主要选取银浆作为导电浆料。银浆主要由高纯度的银粉、玻璃氧化物、有机原料等成分组成，其组成物质的化学价态、品质、含量、形状、微纳米结构等参数均可能对银浆的性能产生影响。其中：银粉作为导电材料，是正面银浆的主要成分，在原材料成本结构中占比超97%；玻璃氧化物用作银浆的传输媒介；有机原料是承载银粉和玻璃氧化物的关键组成。 图表2：部分元素常温（20℃）下的电阻率图表3：银粉在浆料中成本占比情况 种类 电阻率（Ω·cm） 银（Ag） 1.59×10-6 铜（Cu） 1.68×10-6 铅（Pb） 2.07×10-6 金（Au） 2.40×10-6 铝（Al） 2.65×10-6 锌（Zn） 5.20×10-6 镍（Ni） 6.84×10-6 来源：国金证券研究所整理来源：聚和股份招股书、国金证券研究所 图表4：电子导电浆料构成及作用 项目 主要成分 作用 导电相 银、金、铜等金属及合金或其混合物 传输电流1）作为金属颗粒的载体与硅相连； 粘结相 玻璃粉、氧化物晶体或二者混合物 2）腐蚀氮化硅膜，使金属颗粒与硅片表面形成接触；3）腐蚀硅片，形成良好的欧姆接触 液体载体相 有机载体和水基载体，并以有机载体为主 1）分散粘结相，不使其发生团聚和沉淀； 2）保证浆料良好的触变性，从而得到高的栅线分辨率和窄的栅线宽度 来源：《晶体硅太阳能电池丝网印刷工艺的研究》、国金证券研究所 1.2电池技术加速迭代，推动浆料供应差异化 年内新型高效电池技术正式步入产业化元年，TOPCon、HJT、IBC等电池技术在效率、成本等方面均有突破。由于不同电池之间对于银浆的需求存在很大差异性，因此银浆产品也需要顺应新技术的迭代来进行差异化改动，比如温度、配方等。在此背景下，TOPCon高温银浆、HJT低温银浆等产品加速放量。 传统PERC银浆正面采用高温银浆，背面使用银铝浆。正面银浆起汇集、输出载流子的作用，对浆料的导电性能要求高。背面银铝浆为电池片提供背面汇流及焊接点，对导电能力要求相对低。正面银浆国产化程度高，可以基本满足光伏电池的生产要求。 中国正面银浆生产企业经过数十年发展，迅速崛起，市场份额不断提升。根据CPIA统计，2021年国产正面银浆替代达到61%，帝科股份、苏州固锝、聚和股份三大企业占国内近一半市场，行业集中度高，预计2022年国产正银市场份额将进一步提升。 图表5：光伏银浆进口替代情况图表6：2021年中国正面银浆市场格局 来源：CPIA、国金证券研究所来源：CPIA、wind、国金证券研究所 TOPCon电池双面均使用纯银浆：目前TOPCon用银浆与PERC正银都为高温银浆，即在500℃以上烧结得到。但基于TOPCon引入了不同于PERC的多晶硅钝化层，对金属化浆料也提出了更高的性能要求。 太阳能电池的电学损失包括欧姆损失和复合损失。银浆（金属）与钝化层（半导体）的接触可以形成欧姆接触，这是一种电阻非常小的接触，因此浆料应该被设计去保证较宽的欧姆接触窗口，实现更低的接触电阻；但金半接触会促进载流子复合，影响电池效率。综上，TOPCon电池用银浆在效率层面需要平衡两个损失的关系。 TOPCon发电“原动力“——N型硅片表面硼扩形成P型发射极（PN结）。发射极的轻度扩散可使电池片获得更高的方阻，提高开路电压、短路电流、转换效率等基本参数。硼扩的均匀性问题要求银（铝）浆增大Ag和Al的接触窗口，保证电流输运性能；但扩散方阻值越高，银浆烧结的均匀性变差，对正面钝化层和PN结的损伤加剧。综上，TOPCon电池用银浆在PN结层面需要平衡方阻与损伤的关系。 HJT电池正背面使用低温纯银浆：HJT电池结构简单对称，在N型硅片的双面用非晶硅做钝化，再生长透明氧化层（TCO）。基于以上特殊的薄膜结构，HJT用银浆与TOPCon和PERC最大的差别就是浆料的烧结温度低（<200℃），也就是俗称的低温银浆。低温银浆 的设计重点在于平衡电阻、银含、固化稳定等方面的矛盾。 HJT电池银浆与透明导电薄膜接触，不再涉及金属与半导体的相互作用，失去欧姆接触，需要针对不同的透明薄膜材料进行优化匹配，降低接触电阻。 由于低温银浆烧结温度较低，其配方中不能包含玻璃粉，需要用特殊的树脂体系代替玻璃粉的传输属性，也能使浆料在低温下快速固化成型，满足光伏电池量产需求。 高温银浆主要通过高温对Ag序重排，在烧结过程中降低电极的体电阻。但低温银浆烧结温度无法支持球形银粉熔融，因此需要通过其他机制降低体电阻，例如改变银粉形态，调整浆料配方等。 图表7：各技术路线对银浆的要求 电池技术技术工艺对浆料的要求国产化程度 PERC用激光打开背面钝化膜，铝浆完成金半接触 可使用常规高温银浆，其中双面PERC需要流动性较好、适合印刷细栅线的银浆 国产化程度较高 N-TOPCon采用物理气相沉积技术实现全被金属接触 背面有高掺多晶硅薄层，需开发用于多晶硅层接触并最 大程度降低金属诱导复合速率的浆料，难度极大，需根国产替代加速据多晶硅厚度参数调整 N-HJT低温固化银浆在双面印刷电极栅格 非晶硅层对温度敏感，电池片制造温度需低于200度，搭配特制低温固化银浆 国产化程度低 来源：Solarzoom、国金证券研究所 银包铜浆料方案是HJT电池实现少银化的重要一步。银包铜用银包覆铜，在保证光电转换效率的同时减少银的用量。铜与银的电阻率相差不大，但化学性质不稳定，抗氧化能力差，受环境影响严重；银则存在迁移率低，成本高等问题。银包铜在技术层面可以解决银的迁移问题，异质结电池的低温工艺可以有效抑制铜的抗氧化问题，在经济层面用铜替代