光伏设备行业深度：低氧型单晶炉迎新一轮技术迭代，助力N型硅片优化&电池效率提升

证券研究报告·行业深度报告 光伏设备行业深度： 低氧型单晶炉迎新一轮技术迭代，助力N型硅片优化&电池效率提升 证券分析师：周尔双 执业证书编号：S0600515090001zhoues@dwzq.com.cn 证券分析师：刘晓旭 执业证书编号：S0600523030005liuxx@dwzq.com.cn 2023年5月26日 目录 性 1N型硅片存同心圆痛点，低氧型单晶炉助力降本增效 增加磁场为有效解决方案之一，具备一定经济2 光伏磁场借鉴半导体领域经验，有效抑制对流 3以降低氧等杂质 低氧型单晶炉迎新一轮技术迭代，市场空间 4广阔 5本土相关公司介绍 6投资建议 7风险提示 2 随着N型电池片，尤其是TOPCon快速放量，N型硅片需求大幅提升。TOPCon2022年实际扩产约110GW，2023年1-4月扩产约400GW，带动N型硅片需求快速提升，而N型硅片对晶体品质和氧碳含量要求很高，要求更高的少子寿命和更低的氧含量。 N型硅片容易产生由原生氧造成同心圆、黑芯片问题。主要系高温的硅溶液在坩埚里进行相对高速的对流，因为外面热中间冷，底部热上面冷，硅溶液在坩埚内会形成类似“开锅”现象，造成硅溶液内部出现流动，不停冲刷石英坩埚，而石英就是二氧化硅，其中氧会在冲刷过程中融入硅溶液，造成晶体里含有较多的氧。 TOPCon更容易发生同心圆问题。TOPCon在后续的高温工艺（如B扩散）下，氧容易沉淀形成氧环即同心圆，影响效率和良率，所以TOPCon对硅片氧含量更敏感；而HJT为低温工艺，出现同心圆概率不高，可以选择高氧含量硅片。 图：N型硅片要求更高的少子寿命和更低的氧含量 N型电池对硅料要求比P型高。 （1）转换效率上，N型电池（TOPCon、xBC、HJT）均高于P型电池（BSF、PERC）。 （2）电特性及纯度上，N型表金属、体金属、受主杂质和施主杂质含量比P型少50%，少子寿 命也提高了。 （3）含氧量上，现有的单晶炉技术可以实现12.5ppma左右的含氧量，再往下，良率就很低，如 果降低到10ppma，良率可能不到10%。 表：N型和P型电池转换效率对比 导电类型转化效率（%） BSF21.5 P型 TOPcon >25 N型 xBC >25.5 HJT >25 PERC23.5 表：多晶硅料电特性及纯度 类型 电阻率（Ω.cm） 少子寿命 （μs） 碳含量（ppma） 受主杂质含量（ppta) 施主杂质含量（ppta) 体金属 （ppb） 表金属 （ppb） P型 1000 1200 0.3 100 200 1 1 N型 1200 1500 0.2 50 100 0.5 0.5 表：单晶硅片电特性 导电类型 氧含量（ppma) 少子寿命（μs） 电阻率（Ω.cm） P型 ≤13.5 ≥80 0.4-1.1 N型 ≤12.5 ≥1000 0.65-1.25 TOPCon高温过程比较多（SE需要两次扩硼，温度在1050摄氏度以上，扩磷850摄氏度， LPCVD也是高温过程），高温过程会激发硅片内的氧原子形成同心圆，使效率下降。 缺陷分为空位缺陷和点缺陷，空位缺陷是原子来不及排列，所以中间出现了孔洞。高拉速情况下孔洞会多，掺杂磷之后孔洞缺陷会更多，过了7ppm之后，缺陷会急速上升。Topcon里的高温制程就会导致氧聚集形成缺陷，400度以上氧可以在硅片里活动，800~900度以上氧可以游动，一旦冷了凝固就不动了。氧喜欢CUP区域，氧原子堆积在一起，漏电大，一 定就是不会发电的，如果氧和过渡金属复合之后，会引起局部的位错。从逻辑上，氧和杂质是N型硅片的敌人，杂质会复合掉少子，氧会聚集形成缺陷。 图：TOPCon的黑芯片问题 TOPCon黑芯片问题放大了HJT硅棒利用率优势：目前TOPCon存在黑芯片的问题，硅片氧含量高且在高温下氧占位了硅，造成了电池片或组件在EL检测时中心发黑的现象。目前TOPcon黑芯片占比4-5%，在企业的可接受范围内，但随着未来TOPCon对良率的要求变高，黑芯片会使得TOPCon比HJT硅棒利用率低3%。 图：TOPCon芯片黑团问题图：TOPCon短路黑片示意图 半棒半片技术为HJT带来的良率及硅棒利用率提升：�切割产能损失不到10%；②硅损不到0.7%；③电池端的效率可提升0.03-0.05%；④可以降低0.3%的电池端碎片率；⑤在130μm薄片的情况下良率提高近4%。其中：降低的0.3%电池端碎片率可以抵消0.4%的硅损，剩下的0.3% 硅损还可以被电池端的效率增益部分抵消（即③+④可以基本抵消掉②）；剩下10%的切片机产能损失微乎其微（即�可忽略不计），最后算下来可以带来近4%的良率提升（即最后只剩下⑤）。 HJT除了可以利用半棒半片工艺带来良率上的收益之外，其优势还在于：⑥HJT本身比TOPCon高3%的硅棒利用率；⑦HJT对硅片的容忍度比TOPCon要高很多，可用TOPCon的头尾料进行生产，此优势又可以使HJT提升3%的硅棒利用率。因此，相较于TOPCon，HJT不仅良 率提高了近4%，而且硅棒利用率还比TOPCon高6%（即⑥+⑦）。 HJT薄片化更顺利且潜力大：HJT硅片厚度可以在100微米以上，厚度低于100微米可能效率下降，从原理上没有太大问题，问题在于碎片率、机械手之类需要改进。薄片化之后功率有提升，因为填充因子变大、电阻变小导电性变好。 TOPCon中边皮的效率损失至少有0.15-0.2%，而HJT只有0.05%，HJT采用半片，先做半棒，切半棒的时候切一半，就可以在边缘弧度部分切半片（一个小块，很多半片），进而降低边际切割硅片成本。 湿法环节：N型电池片均具备退火吸杂工艺，奥特维专注TOPCon的光注入退火炉（设备价格约600-800万元/台），迈为专注异质结的链式吸杂（诱使金属杂质和氧杂质远离硅片正面的方法，可以大幅降低对硅料的要求），考虑到N型电池对硅片纯度的要求比对P型的要求更高， 这进一步阐释了从硅料端降低纯度要求的可行性，异质结能用的硅料等级可能会比PERC等P型电池的硅料纯度更低。 因此，HJT可以比TOPcon多用5%的头尾料，降低了非硅成本。7 •若硅料降低至100元/KG、HJT硅片厚度为80微米时，硅片总成本约为0.24元/W，我们假设N型 硅片毛利率约25%，则硅片售价约为0.31元/W，即HJT电池片的硅片成本约为0.31元/W。 图：参考半导体发展经验：光伏硅片和半导体类似，尺寸朝着大尺寸演变。 数据来源：索比光伏网，东吴证券研究所 图：光伏硅片尺寸发展 图：光伏硅片大尺寸占比逐步提升 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% 0% 20% 10% 50% 38% 20192020E2021E2022E2023E2025E 156.75mm158.75mm160-166mm182mm210mm 数据来源：晶盛机电官网，东吴证券研究所 数据来源：CPIA，东吴证券研究所 10 60% 50% 40% 60% 20% 单晶炉发展趋势：平均3-4年换一代，从尺寸变大到质量升级 之前单晶炉的发展思路是：在所有变动成本一致的情况下，硅片尺寸越大，成本越低。当 下的G10硅片，从尺寸角度看，已经是瓶颈，210是最符合集装箱尺寸的大小，自210推出 后，硅片环节再无新的技术迭代。 晶盛机电持续推出单晶炉新品，由注重尺寸到注重质量。2007年晶盛机电推出第一代全自动单晶炉；2011年首推水冷套装置，实现高拉速第二代单晶炉；2015年首推复投器+大热场，开创第三代RCZ高产单晶炉；2020年首推基于工业互联网的第四代智能化单晶炉。 2023年晶盛推出第�代新型单晶炉，最大的亮点在于改变了传统的封闭控制系统模式，配置了基于开放架构的用户可编程的软件定义工艺平台。 图：单晶炉从尺寸升级到质量升级 2023年 2020年 2015年 2011年 2007年 11 数据来源：晶盛机电，东吴证券研究所 一般来说，头氧含量越低，少子平均寿命越长。当头氧含量在12%以下，50%的少子寿命在6000-8000µs以下，当头氧含量低于12%，60%以上少子寿命在8000-10000µs以上。当头氧含量小于等于10%，有10%的少子寿命大于12000µs。 图：头氧含量越低，少子平均寿命越长 少子寿命分布（%） 头氧含量（%） 12 数据来源：晶科报告，东吴证券研究所 （1）晶盛机电：增加超导磁场 超导磁场主要作用是可以减少对流，减少晶体材料里面的氧含量，还可以提升生晶体生长的稳定性，减少里面的cup缺陷。 光伏最早没有使用超导磁场，是因为早期的光伏对这些优势并不敏感，PERC电池并不关注氧碳含量等缺陷。近期做TOPCon电池，由于原生含氧量的问题，晶盛进行了加超导磁场的测试，发现超导磁场可以非常有效的抑制对流，对流减弱了之后，长晶过程中，硅溶液冲刷坩埚壁的强度就会下降，导致材料里氧含量会非常显著下降，N型硅片同心圆的问题能够缓解。 图：慧翔电液磁场专利图：晶盛机电低氧方案 （2）连城数控：MCCz技术，外加磁场+氩气吹扫方案 推出KX420PV新品单晶炉，采用MCCz技术，通过外加磁场的引入可有效抑制硅熔体热对流，降低氧的形成和传输，同时结合全新设计的氩气吹扫方案、大尺寸排气管道及低流阻设计，匹配大抽速真空干泵和可升降式加热器，最大程度带走氧杂质。 目前连城数控已深度掌握磁场模块（永磁场、勾型磁场及水平磁场、超导磁场）用于光伏单晶生长的一系列方案。 图：连城数控专利 （3）奥特维：主要通过热场设计来降低氧含量，追求高性价比 通过热场工艺模拟，结合流体流通路线，设计最佳匹配炉内管路开口位置及流体管路 走向，最大化程度带走氧杂质。 软控算法增加控氧功能模块，在不影响拉晶的前提下，不定时开启除氧功能；后续延续此思路增加其他除杂模块。 调整工艺包部分内容，以提升工艺与硬件之间的匹配度。 同等条件下，奥特维的方案下同心圆可降低50%；相较于主流硅片氧含量水平，同等条件下低氧型单晶炉可实现氧含量降低24%以上，试验线验证数据电池片效率提升0.1%。 图：松瓷机电单晶炉 目录 1N型硅片存同心圆痛点，低氧型单晶炉助力降本增效 增加磁场为有效解决方案之一，具备一定经济 2性 光伏磁场借鉴半导体领域经验，有效抑制对流 3以降低氧等杂质 低氧型单晶炉迎新一轮技术迭代，市场空间 4广阔 5本土相关公司介绍 6投资建议 7风险提示 硅料降价+硅片10%~12%合理利润率下，行业整体利润仍然较高，单晶炉回本周期不到2年， 其中N型设备回本周期比P型更短。 （1）单晶炉价格约140万/台，理论产值14MV/台，N型硅片利润率12%，P型硅片利润率10%。 （2）进口高纯石英砂短缺，坩埚更换频繁，单晶炉待机时间变长，间接造成产能损耗，其中 N型单晶炉产能损耗约20%，P型单晶炉产能损耗约10%。 石英导致的产能损耗（%）④ 20% 20% 20% 20% 20% 20% 20% 单晶炉实际产能（MW/台）⑤=③*（1-④） 11.2 11.2 11.2 11.2 11.2 11.2 11.2 N型硅片 单晶炉所需数量（台）⑥=1000/⑤每GW单晶炉设备价值（亿元）⑦=③*⑥硅片利润率（%）⑧ 89 1.3 12% 89 1.3 12% 89 1.3 12% 891.3 12% 891.3 12% 89 1.3 12% 89 1.3 12% 每GW硅片利润（亿元)⑨=🕔*⑧*10 0.5 0.6 0.7 0.8 1.0 1.1 1.2 单晶炉设备回本周期（年）⑩=⑦/⑨ 2.6 2.1 1.7 1.5 1.3 1.2 1.0 石英导致的产能损耗（%）⑪ 10% 10% 10% 10% 10% 10% 10%