电力设备与新能源：从基础结构透析光伏晶硅高效电池发展

从基础结构透析光伏晶硅高效电池发展 2023年11月24日 武浩电新行业首席分析师S1500520090001 010-83326711 wuhao@cindasc.com 黄楷电新行业分析师S1500522080001 huangkai@cindasc.com 信达证券股份有限公司 CINDASECURITIESCO.,LTD 北京市西城区闹市口大街9号院1号楼 邮编：100031 执业编号：S1500522080001 联系电话：18301759216 邮箱：huangkai@cindasc.com 电新行业分析师 黄楷 武浩电新行业首席分析师执业编号：S1500520090001 联系电话：010-83326711 邮箱：wuhao@cindasc.com 看好 上次评级 看好 投资评级 行业专题报告（深度） 电力设备与新能源 证券研究报告 行业研究 从基础结构透析光伏晶硅高效电池发展 2023年11月24日 本期内容提要: ⯁光伏电池片技术进步的核心是增效降本。太阳能电池基础工作原理是半导体的光生伏特效应，当物体受到光照时，物体内的电荷分布状态变化而产生电动势和电流的一种效应。在光电转换过程中不可避免的会发生效率损失，主要包 括光学损失、电学损失及电阻损失，电池技术不断进步和探索的重要目标之一就在于降低此类物理化学损失。为此，发展高效电池技术的一系列关键工艺包括抛光、制绒、扩散、钝化、介质开膜和金属化技术等应运而生。降本增效是光伏电池技术发展永恒的主旋律，近几十年产业不断探索更高效更具性价比的电池技术，光伏电池历经多次迭代，如今由P型PERC时代逐步迈向由TOPCon、HJT、IBC电池为代表的N型新时代发展。 ⯁发展高效电池可提升光伏组件实际功率，进而摊薄光伏系统成本。高效组件转换效率更高、温度系数更低且双面发电效率能力更加出色，与同等规格的常规组件相比，实际输出功率提升明显。组件功率的提升可以摊薄光伏电站的 BOS成本，根据我们测算，当电池片效率提升0.5%，BOS成本可降低约0.02- 0.03元/W；另一方面，更高效的组件拥有更好的衰减系数，在首年衰减和次年衰减上均具备优势，增益光伏电站全生命周期发电量，降低光伏电池全生命周期度电成本。根据我们的敏感性分析测算，当首年衰减每降低0.2%，次年衰减不变时，地面光伏电站LCOE将降低0.0005元；当首年衰减不变，次年衰减每降低0.05%，地面光伏电站LCOE将降低0.0012元；当首年衰减降低0.2%，同时次年衰减降低0.05%时，地面光伏电站LCOE将降低0.0017元。 ⯁N型电池技术发展迅速，产业化浪潮已至。电池片技术快速进步，TOPCON/HJT/BC电池片在今年均有较大突破，行业内主要组件公司均在2023年大规模向N型技术路线转型。TOPCON率先大规模量产，目前行业内领先企 业TOPCon电池量产效率已达25.7%，良率超过98%，技术迭代随着产业化同步进行，量产效率仍有突破空间，提效手段如正背面添加SE、双面POLY等技术也在逐步研发导入中；HJT产业化进程加速，降本路径清晰，目前领先企业HJT电池量产效率已达26%，优质产线良率可达98.5%，HJT理论极限效率可达27.5%，后续仍有进步空间；另一方面，HJT电池降本路径清晰，多种降本手段如0BB、银包铜、无铟/低铟靶材技术正在逐步导入，未来放量可期。BC电池正面无遮挡，最大可能性降低正面光学损失，造型美观，特别适合于分布式场景，隆基绿能、爱旭股份明确聚焦BC电池领域，BC电池目前仍处于技术快速发展期，降本增效潜力突出。 ⯁投资建议：23年是新型电池片技术快速突破的一年，未来2-3年电池片环节技术进步仍将是光伏行业向更低成本发展重要一环，建议关注N型技术领先、投产产能与节奏位居行业前列的企业，推荐晶科能源、天合光能、晶澳科技、通威股份；建议关注隆基绿能、爱旭股份。另一方面，建议关注受益于新型电池技术，具备量利向上逻辑的核心辅材及设备企业，推荐聚和材料、捷佳伟创，建议关注宇邦新材、迈为股份等。 ⯁风险提示：光伏需求不及预期；新技术发展不及预期；产能过剩风险等。 目录 核心逻辑：5 一、光伏电池工艺技术原理及发展历史6 1.1光伏发电是由半导体的光生伏特效应产生6 1.2电池效率的损失归因：光学损失、电学损失、电阻损失7 1.2.1光学损失概述7 1.2.2电学损失概述8 1.2.3电阻损失概述9 1.3发展高效电池技术的关键工艺：抛光、制绒、扩散、钝化、介质开膜和金属化技术9 1.4主流电池技术路线优劣势及关键工艺12 1.4.1PERC电池12 1.4.2TOPCon电池14 1.4.3HJT电池17 1.4.4IBC电池19 二、高效电池片降本增效优势明显22 2.1高效电池片对组件实际功率提升明显22 2.2高效率组件可摊薄电站成本22 三、N型电池技术产业化如火如荼24 3.1TOPCon产业化进程：量产成本具备性价比，产能扩张迅速24 3.2HJT产业化进程：降本路线清晰，产业化进展可期25 3.3BC电池产业化进程：产品性能优异，技术发展方兴未艾27 四、投资建议29 �、风险因素29 表目录 表1：TOPCon组件与PERC组件相比可显著降低度电成本16 表2：PECVD与HWCVD工艺对比19 表3：新技术功率增益测算22 表4：新技术BOS节省测算23 表5：LCOE衰减敏感性分析23 表6：主要公司TOPCon电池产能规划情况25 表7：主要公司HJT电池产能规划情况26 图目录 图1：常规晶体硅太阳能电池的结构示意图6 图2：晶体硅太阳能电池的电路模型6 图3：太阳能电池负载特性曲线7 图4：AM1.5G的太阳光谱图8 图5：太阳能电池串联电阻的组成9 图6：抛光前及抛光制绒后硅片的形貌10 图7：扩散炉（a）和离子注入机（b）示意图10 图8：扩散炉（a）和离子注入机（b）示意图11 图9：金属化工艺仪器及原理12 图10：常规太阳能电池结构图（a）和选择性发射极太阳能电池结构图(b)13 图11：背表面抛光面(a)和背表面凹坑面(b)结构示意图13 图12：TOPCon电池结构14 图13：不同隧穿层材料对于界面化学钝化及电荷场钝化的特性15 图14：TOPCon电池衰减率更低15 图15：N型电池双面率提升，背面增益更高16 图16：n型PERT双面电池（左）和n型钝化接触双面电池（右）的工艺流程17 图17：能带结构与载流子输运方向示意图17 图18：HJT电池结构示意图18 图19：IBC电池结构20 图20：离子注入技术制备IBC太阳能电池的工艺流程21 图21：2022-2030年光伏电站BOS成本趋势23 图22：N型电池高转换效率优势明显24 图23：N型电池理论极限效率远高于PERC电池24 图24：2022-2027年TOPCon电池产能发展趋势（GW）25 图25：2022-2027年TOPCon电池产能发展趋势（GW）26 图26：HJT金属化降本路线图27 图27：HJT电池降本路径27 图28：隆基Hi-MOX6产品27 图29：爱旭ABC系列产品27 核心逻辑： 目前光伏晶硅制造产业链重点技术突破集中在电池片环节，本篇报告从光伏电池片的基础结构原理出发分析了限制光伏电池片转换效率提升的核心原因，并回顾了目前主流技术路线及发展潜力较大的技术路线的发展历史，从提升转换效率的角度，详解了主流技术路线的关键工艺。报告从模拟测算的角度，详细分析了提升转换效率对下游光伏电站业主方带来的实际收益，同时重点介绍了目前行业正在快速发展并产业化的新型技术路线发展情况。 一、光伏电池工艺技术原理及发展历史 1.1光伏发电是由半导体的光生伏特效应产生 太阳能电池工作原理的基础是半导体的光生伏特效应，当物体受到光照时，物体内的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流的一种效应。晶体硅太阳能电池本质上就是一个大 面积的二极管，由pn结、钝化膜、金属电极组成。在n型衬底上掺杂硼源，P型衬底上掺杂磷源，分别形成P+或n+型发射极。并与硅衬底形成pn结。该pn结形成内建电场，将光照下生产的光生载流子（电子-空穴对）进行分离，分别被正面和背面的金属电极收集。根据丁健宁等《高效晶体硅太阳能电池技术》，常规晶硅太阳能电池从上到下结构依次为正面栅线电极、正面减反膜SINX，PN结、硅衬底、背表面场以及背面金属电极。 图1：常规晶体硅太阳能电池的结构示意图图2：晶体硅太阳能电池的电路模型 资料来源：《高效晶体硅太阳能电池技术》（丁健宁等），信达证券研发中 心 资料来源：《高效晶体硅太阳能电池技术》（丁健宁等），信达证券研 发中心 影响电池性能的参数主要有开路电压、短路电流、填充因子等。根据丁健宁等《高效晶体硅太阳能电池技术》，当受到光照的太阳能电池接上负载时，光生电流流经负载，并在负载两端产生电压。可计算出电池性能的外部参数：开路电压VOC、短路电流ISC、最佳工作电 压VM，最佳工作电流IM、最大功率PM、填充因子FF，以及串联电阻RS、并联电阻RSH和电池效率η。 根据丁健宁等《高效晶体硅太阳能电池技术》，在太阳能电池负载特性曲线中，曲线上的每一点称为工作点，工作点和原点的连线称为负载线,斜率为1/RL,工作点的横坐标和纵坐标即为相应的工作电压和工作电流。I-V曲线与V、I两轴的交点即开路电压VOC、短路电流ISC。若改变负载电阻R到达某一个特定值RM，此时，在曲线上得到一个点M,对应的工作电流与工作电压之积最大我们就称点M为该太阳能电池的最大功率点;其中IM为最佳工作电流，VM为最佳工作电压，RM为最佳负载电阻，PM为最大输出功率。PM与开路电压、短路电流之积的比值就称为填充因子（FF），在图3中就是橙色四边形与虚线框四边形面积之比。 图3：太阳能电池负载特性曲线 资料来源：《高效晶体硅太阳能电池技术》（丁健宁等），信达证券研发中心 1.2电池效率的损失归因：光学损失、电学损失、电阻损失 在进行光电转换过程中，根据丁健宁等《高效晶体硅太阳能电池技术》，造成太阳能电池效率损失的主要原因有： 1）能量小于电池吸收层禁带宽度的光子不能激发产生电子-空穴对； 2）能量大于电池吸收层禁带宽度的光子被吸收，产生的电子-空穴分别被激发到导带和价带的高能态，多余的能量以声子形式释放，高能态的电子-空穴又回到导带底和价带顶，导致能量的损失； 3）光生载流子在pn节内分离和运输时，会发生复合损失； 4）半导体材料与光生载流子运输过程金属电极接触的非欧姆接触引起电压降损； 5）光生载流子运输过程中由于材料缺陷、界面缺陷等导致的复合损失。 1.2.1光学损失概述 晶体硅是光学带隙为1.12eV的间接带隙半导体材料。根据丁健宁等《高效晶体硅太阳能电池技术》，对晶体硅太阳能电池而言，太阳光中低于1.12eV能量的长波段光子能量太低,不足以提供足够的能量来产生自由载流子。这部分光子占比大约30%，电池无法利用。而短 波的光子能量高，激发一个电子从价带到导带只需1.12eV的能量,多余的光子能量又无法利用。只有图中红色部分的太阳光，才能被晶体硅太阳能电池充分利用。 图4：AM1.5G的太阳光谱图 资料来源：《高效晶体硅太阳能电池技术》（丁健宁等），信达证券研发中心 光学损失的另一方面还来自晶体硅太阳能电池的结构和工艺。首先，对于晶体硅而言，硅折射率在3.8左右,空气折射率略大于1，两者差值很大。当太阳光照射在晶体硅表面时,由于折射率的差异,会导致入射光中很大一部分（30%～40%）光被反射出去。其次,晶体硅是 间接带隙半导体材料，光吸收系数相对较低。长波长光入射进硅片不能被充分吸收，导致部分光从电池背面透出。此外，晶体硅太阳能电池的正面金属栅线会遮挡入射光。 1.2.2电学损失概述 根据丁健宁等《高效晶体硅太阳能电池技术》，半导体内的缺陷和杂质能够俘获载流子，增大载流子的复合概率。复合陷阱浓度越高，陷阱能级越靠近禁带的中央陷阱的俘