2023新能源电池材料发展概览报告

出品机构：甲子光年智库发布时间：2023.5 Part01新能源与新材料P02 目录Part02HJT电池新材料发展趋势P06 Part03钙钛矿电池新材料发展趋势P17 Part04锂离子电池新材料发展趋势P28 Part05氢燃料电池新材料发展趋势P41 新材料：需要下游行业需求带动 下游应用催生多元化新诉求，新材料发展要求“高景气产业+高技术壁垒”。 当前，中国面临着复杂的发展安全问题，同时也处于发展高端制造的战略机遇期。 发展新材料是成为制造业强国的关键，是摆脱关键材料与技术瓶颈的重要途径，也是寻找经济发展新动力的理想突破口。 新材料的发展需要长时间导入周期和高额前期投入，需要经过“材料开发-产业化-客户送样测试-小试-量产”等环节，通常需要10年以上的时间。 新材料发展示意图 图：新材料及相关行业的生命周期 中期：下游需求的景气度对材料应用的影响更明显 长期：更关注材料本身性能，匹配产业长期对降本增效的要求 短期：受上游原材料价格、价格传导、产品结构、竞争格局等波动性因素影响更明显 新能源：发电侧与用电/储能侧 “双碳”战略目标下，新能源领域的新材料应用将迎来长久的高景气周期。 本次报告在发电侧主要关注新型光伏电池片的材料发展，在储能侧主要关注锂电池与氢燃料电池的材料发展。 发电侧 储能侧（部分） 关注“发电+储能”两侧的新材料应用进展 2022年全国发电量（单位：亿千瓦时） 火电58,531 水电12,020 风电6,867 核电4,178 光伏电池 光伏2,290 电储能 储能 热储能 氢储能 11.8% 液流电池 锂离子电池 电化学储能 铅蓄电池 86.5% 压缩空气储能 抽水蓄能 机械储能 熔盐储能 氢燃料电池 氢燃料 •实现双碳目标的过程中，发电量总量逐步提高，同时风电、光伏、核电的占比要稳定提升。 •当前光伏发电量占比仍然很低，未来三十年发展空间大。 •储能环节以抽水蓄能为代表的机械储能仍然是主流。 •锂离子电池是电化学储能的绝对主力，装机功率占比约为电化学储能技术的99%。 新能源×新材料：发展前景评估 从价值投资的角度看，在材料性能之外，新材料的评估模型需要综合多方面评估。 虽然光伏、锂电、氢燃料电池分属新能源领域的不同赛道，但他们的投资评估逻辑是相通的。 在性能满足发展需求的基础上，再综合考虑材料的市场规模与格局、商业化上量节点、产业发展周期的变化（比如2023Q1的锂价）等其他因素。 新材料投资发展前景评估模型 材料新材料相比当前主流材料，针对当前该行业的需求痛点，在哪 性能些方面有突破，会带来哪些好处？ 当前投资是不是好的时间点：整个行业的供需水平？当前时间点是顺周期还是逆周期？ 产业发展周期 新材料发展前景评估 市场规模 对应的材料替代市场规模有多大？未来几年的增 速是什么水平？ 不同材料的起量时间不同；中下游对该材料的尝试验证意愿/验证周期不同… 商业化节点 竞争竞争格局现状是什么？是小而美的市场，还是需 格局要卷成本卷规模的市场？先发者是否有优势？ Part01新能源与新材料P02 目录Part02HJT电池新材料发展趋势P06 Part03钙钛矿电池新材料发展趋势P17 Part04锂离子电池新材料发展趋势P28 Part05氢燃料电池新材料发展趋势P41 光伏电池片的分类 产业正在逼近晶硅电池片的极限，新型材料应用助力突破转换率瓶颈。 图：光伏电池的迭代路线-追求更高的光电转换效率 黑硅 光伏电池 晶硅电池 薄膜电池 多晶硅电池 单晶硅电池 非晶硅电池 多晶PERC P型电池 N型电池 钙钛矿PBS 单结电池组合电池 P-PERC TOPCon TBC IBC HJT HBC HJT/钙钛矿叠层 •当前主流：现阶段光伏产业的PERC电池量产技术成熟，已经大规模流入市场 •短期：TOPCon电池得益于与PERC电池类似的产线，已于2023年进入扩产阶段 •中长期：HJT与钙钛矿进入产线投产、量产验证与试生产周期 化合物电池 CIGS、CdTE… 光伏电池技术迭代方向 光伏技术迭代路线 HJT与钙钛矿电池是光伏中长期的技术发展路线，关注相关材料迭代机遇。 图：光伏电池的迭代路线-追求更高的光电转换效率 43% 27% 叠层电池的理论极限 晶硅电池的量产极限 技术演进，降本增效 阶段四：HJT+PBS叠层 叠层理论效率超43%，当前中试线的效率近30%，潜力可观 阶段三：TOPCon、HJT 仍有上升空间 理论效率能达到27-28%，目前量产达到24.5%， 组合技术 •量产PERC即将达到理论最高值 •TOPCon电池步入量产 •HJT与钙钛矿电池处于导入期，且二者结合的叠层电池理论转换效率可达43%，是未来远期的重点发展方向 率23%，即将达到极限 23% 当前产业主流，量产转化效 当前主流水平 阶段二：PERC电池 本次报告光伏领域重点关注尚处导入期的： •HJT异质结电池 •钙钛矿电池 单结晶硅 阶段一：BSF铝背场已经基本被淘汰 2010年2016年2020年2025年2030年 HJT电池的优势 结合晶硅与非晶硅薄膜优势，HJT异质结电池将是光伏未来中期的路线选择。 根据光伏龙头隆基绿能的公告，其自主研发的HJT电池实验室已经能够达到26.81%，通威股份在25.67%，结合更精简的工艺产线和低能耗，HJT 的综合优势开始显现。 HJT工艺不同，生产线与传统PERC/TOPCon也大不相同，在规模未放量之前，不具备成本优势。 图1：HJT电池的性能优势图2：性能优势将推动HJT的渗透率上升 工艺简单 晶硅薄片化 转换效率高 大尺寸 低光性能好 抗PID性能好 性能比较 PERC TOPCon HJT 理论效率极限 24.5% 28.2% 27.5% 量产产品效率 23.5% 24.5% 24.5% 工艺成熟度/产线兼容度 非常成熟 比较成熟，高度复用PERC产线 技术爬坡中，需要新建产线 主要工序数量 9-12 12（与PERC类似） 4-6（工序很少） 电池成本 0.84元/W 0.91元/W 1.08元/W 优劣势比较 当前成本最低，但转换效率难以提升 效率提升，但工序复杂，非硅成本高 效率高，生产工艺温度低，但产线设备投资大 •HJT电池预计在2023年进入试生产； •HJT电池预计在2024年开始上量，到2030年渗透率预计可达30%以上。 HJT电池结构与成本构成 对于采用低温丝网印刷工艺的HJT而言，硅片与银浆是材料成本的主要组成部分。 由于HJT电池工艺和结构的不同，是双面对称结构，叠加电池制备需要低温工艺，银浆的成本要显著高于传统P型电池和TOPCon电池。 从降本提效的角度看，如何降低整体硅耗和金属化过程中的浆料成本，是从材料方面推动HJT晶硅电池规模化的主要途径。 图：HJT的制备工艺情况图：HJT电池片生产成本 电极 其他 TCO N型晶硅基体 18% 组件成本：1.08元/W P-layer i-layer 丝网TCO i-layerP-layerTCO电极 印刷沉积 非晶硅清洗 沉积制绒 折旧 6% 靶材 5% 银浆24% 硅片47% HJT电池产业发展现状 多家厂商在规划10GW级别产线，上游的材料厂商也在积极配合。 HJT产业链 上游原材料厂商中游电池片厂商 HJT薄硅片浆料 下游应用场景 上机数控 帝科股份 国立科技 华晟新能源 商用光伏 通信基站 高测股份 苏州固锝 国晟能源 金刚光伏 光伏电站 厂房屋顶 TCL中环 聚合材料 三五互联 东方日升 光伏道路 …… 图：目前国内HJT新建与规划产能（不完全统计） 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 合计HJT产能规划：114GW 预计2023年HJT出货量：15GW 爱康科技东方日升华晟新能源华润电力华耀光电海泰新能腾辉光伏明阳智能水发能源国晟能源太一光伏三五互联金刚光伏国润能源宝鑫科技隆基绿能赛维能源 HJT光伏组件的材料发展方向 HJT电池片新材料应当关注“2减1加”。 HJT电池片制备工艺的最大区别在于温度：因为TCO薄膜等非晶硅导电层的加入，如果烧结温度大于250℃，材料会向晶体转变，使电池失效。 低温工艺无需顾虑高温烧结过程导致的硅片翘曲，因此HJT电池也有较大的硅片薄化潜力，为降低成本提供更多可能性。 HJT电池片的“两减一加” 类目 PERC TOPCon HJT 工艺过程 烧结 硼扩 烧结 温度 >850℃ >900℃ <200℃ 减硅•降低硅料用量与成本 •主要通过硅片薄化实现 P-layer 电极TCO 非晶硅薄层：如果烧结温度过高（大于250℃）将导致 i-layer 非晶薄层材料从非晶向晶体转变，进而导致电池片失效 •HJT电池需要低温制备 减银•使用国产低温银浆 •或使用银包铜粉降本 N型晶硅衬底 硅片：PERC与TOPCon高温工艺会引起硅片翘曲，因此不具备薄化条件，而HJT低温工艺则不会引起硅片翘曲 HJT电池片 降本增效 增光•吸杂工艺 •改良封装膜，TCO薄膜 材料选择1：HJT薄化硅片 硅片是主要成本构成，硅片薄化是HJT电池独有的降本项。 得益于低温工艺，HJT电池硅片有做薄的潜力：当前主流PERC硅片厚度约155μm，而HJT已达到130μm，向120μm迈进，极限薄化厚度是80μm。 从硅料价格来看，近期硅料价格回升至200元/kg左右，在25%转换效率条件下，单W硅耗可降低约0.016元/W；换言之，以200元/kg的硅料价格计算，当前130μm的N型硅片成本将比150μm的成本降低0.032元/W，约占硅片成本的10%。 图：硅片厚度对比（μm） •HJT在硅片减薄降本方面，相比PERC与TOPCon电池有更大潜力 图：硅片减薄每10μm促使硅料成本下降（元/W） •当前硅料价格在200元/kg左右，25%转换率条件下，硅片每减薄10微米，HJT电池成本下降约0.016元/W 180 170 160 150 140 130 120 110 100 PERCTOPConHJT 155 150 130 0.018 0.016 0.014 0.012 0.01 0.008 0.006 0.004 0.002 0 成本降低（元/W） 80110140170200 2021Q42022Q12022Q22022Q3 硅料价格（元/kg） 材料选择1：HJT薄化硅片 薄化硅片的价值点在于硅片切割设备，衍生出不同的产业协同模式。 HJT硅片切片的关键在于电池片设备，当前布局HJT晶硅电池薄片生产的厂商比较有限。 从商业模式上看，多数晶硅电池厂家选择自主采购硅料与切片设备进行HJT薄化硅片制备，同时也存在头部企业联合硅料、设备厂商合资设立HJT 电池专用单晶硅片项目，为自身HJT电池制备供应。 待HJT在未来真正走向放量，那么专门从事第三方硅片切割的厂商将有望在这一轮HJT薄硅片的产业化进程中获益。 HJT专用薄硅片的商业模式一览 模式一：HJT厂商自主切片 模式二：联合成立专用硅片项目 安迅半导体 宇晶股份 华民股份 华晟新能源 单晶硅料 华晟新能源 双良股份 高测股份宇晶股份 10GW的HJT专用单晶硅片项目 切片设备 模式三：设备厂商部署代工业务 TCL中环 弘元绿能 高测股份 宇晶股份 N型硅片 上机数控由设备向光伏一体化布局 材料选择2：低温银浆&银包铜粉 浆料的降本主要通过银浆的国产替代和银包铜粉的放量应用。 目前光伏浆料市场国产厂商已经打开局面，国产化率已经超过60%，但多集中于高温银浆领域。 在HJT电池尚未放量增长的时间点下，光伏行业对低温银浆的需求体量仍然有限，目前全球低温银浆市场基本被KE、贺利氏等公司垄断。 银浆的主材是银粉，而目前业界对银粉的