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“大国重器”系列:HJT时代离我们还有多远?

发表于:2021-04-23 11:04:14     作者:张梓丁 刘俊 来源:中金点睛

光伏电池片是将降本追求到极致的行业,技术进步是其永恒的追求,而技术的快速迭代也构成了光伏电池设备的核心驱动力。站在当前时点,我们认为随着传统PERC技术的降本增效面临瓶颈,市场对新技术的追求将更加迫切,其中异质结(HJT)基于其种种优势获得了诸多厂家的青睐,有望成为下一代主流技术。本篇报告重点分析了HJT为什么有希望成为下一代主流技术?HJT如何进行降本增效?HJT的发展路径如何推演?哪些公司会收益?总体而言,若电池技术从PERC切换到HJT,我们认为设备端有望迎来新一轮的高速增长。

摘要

为什么说HJT有希望成为新一代主流技术?异质结(Heterojunction with Intrinsic Thin Layer, HJT)全称本征薄膜异质结,其通过在P-N结之间插入本征非晶硅层进行表面钝化来提高转化效率。基于HJT的诸多优点,其有可能会成为下一代主流技术:1)传统HJT理论转化效率或超27%;2)有衰减率低、温度系数低、双面率高、弱光效应等优点,全生命周期发电增益明显;3)制程只有4步,可缩短生产步骤;4)作为平台技术,与其他先进工艺叠加,有望进一步提高转化效率。

HJT如何进行降本增效?我们预计HJT的降本增效路径包括以下几点:1)硅片减薄,HJT的对称结构和低温工艺让其更容易实现薄片化;2)通过MBB、SWCT、银包铜等技术降低银浆耗量;3)低温银浆国产化后单价下降;4)靶材耗量和成本下降;5)设备通过提升产能和降低零部件成本实现成本下降;6)转化效率提升到25%以上;7)自动化程度提升等带来人员及能耗下降。HJT的降本增效需要产业链各个环节的配合,目前已有众多厂家在各端发力促进行业的降本增效。

HJT的发展路径如何推演?我们基于一系列参数假设,做出以下推演:1)2021~22年HJT有望进行中规模的量产。我们预测到2022年,HJT的生产成本与PERC(含PERC+)的差距有望缩小至~10%,但考虑到HJT全生命周期的发电增益以及低衰减优势,HJT电池有望获得一定销售溢价,在部分市场的盈利能力将超过PERC。但考虑到存量的大规模PERC产能通过改造成PERC+或TOPCon也有望延长生命力,我们认为这段期间也将释放出存量PERC升级的设备需求。2)2023年之后HJT有望进入大规模替换时代。我们预测2023年HJT将在生产成本端具备比PERC更低的优势,届时就算不考虑其销售溢价,HJT也将具备比PERC的经济优势。

HJT技术对设备行业的影响如何?基于以上的路径推演,我们预测到2023年行业有望释放出超过150GW的HJT设备订单,单GW设备投资额有望降至3亿元/GW,总市场空间达450亿元,是PERC时代投资高峰(2020年)的2倍以上。而在竞争格局上,我们认为在本次的技术迭代中,国产厂商无论在推动工艺改进,还是设备降本方面,都起到了引领作用。目前捷佳伟创和迈为股份都具备提供HJT整线的能力,钧石、理想万里晖和金辰股份则在核心设备PECVD有较大突破。

风险

异质结降本过程不及预期,效率提升遇到瓶颈。

正文

为什么说异质结技术有希望成为下一代主流技术?

随着传统PERC技术面临提效降本瓶颈,行业对新技术的追求更加迫切

光伏电池片是典型的“技术驱动型”行业,提效和降本是企业不断的追求。我们在2019年1月16日发布的报告《光伏设备2019投资手册:技术迭代催生设备需求》中提到,PERC电池将成为新一代主流技术,带来旺盛的设备扩产需求。现在来看,2019~2020年,我们估计PERC电池设备的行业订单分别高达50GW/120GW,大幅超过2019年初的市场一致预期,也让设备厂商如捷佳伟创、迈为股份、帝尔激光等公司步入了发展快车道。

传统PERC技术降本面临瓶颈,市场开始把目光投向新兴技术。过去两年,传统PERC电池片效率快速提升,生产成本不断下降,到目前已经面临着一定的发展瓶颈。站在当前时点,我们认为,电池片将向新的技术领域开拓,其中异质结、TOPcon、PERC+等新技术获得了主流厂家的高度重视。考虑到异质结拥有潜在效率高、衰减低、温度系数低、降本空间大等诸多优点,受到很多厂家和业界人士的青睐,或有可能成为下一代主流技术。同时,可在传统PERC基础上进行改造的TOPCon和PERC+技术也在快速发展,有望延长PERC路线的生命周期。本篇报告主要针对异质结技术做详细的介绍,除了介绍基本原理、发展历史和制备流程等基本内容外,我们还将分析其提效和降本的主要方法,并基于基础假设进行降本路径的预测,最后分析受益的投资标的。

光伏电池片转化效率提升的机理介绍

光伏电池片发电原理

我们在报告《光伏设备2019投资手册:技术迭代催生设备需求》详细介绍了光伏电池片发电的基本原理。简而言之,若将P型半导体和N型半导体进行紧密接触,则在交界处会形成内建电场。在光照激发下,电池内部将产生光生载流子(电子空穴对),并在内建电场的作用下发生分离,并由电极引出,形成电流。

图表: 光伏发电原理示意图

 

 

资料来源:Solar Energy,中金公司研究部

表面钝化是提高光伏电池转化效率的关键

影响光伏电池片转化效率的因素主要包括光学损失和电学损失。光学损失包括光的表面反射、表面遮光和光谱损失等,电学损失包括少子复合损失、电阻损失等。电池片技术的种种改进,本质上都是为了解决以上的各种效率损失,其中,降低少子表面复合在提高转化效率中起着非常关键的作用。

图表: 效率损失类型和解决方法

 

 

资料来源:Solar Energy,中金公司研究部

表面钝化技术可以降低少子复合,提高转化效率。光生载流子在运输过程中,往往在半导体内部遇到杂质等造成的缺陷,或者在表面遇到缺陷,导致部分载流子被复合掉,因而减少载流子寿命,影响转化效率。因此,减少少子复合是提升转化效率的关键,而表面钝化技术是减少少子复合的有效手段。决定少子复合速度的因素主要包括复合中心的数目和少子浓度,因此钝化手段主要包括两种:

►减少界面缺陷态密度,往往通过化学方式实现:通常的方法是在表面沉积钝化膜或者H原子修复来降低界面的悬挂键,比如在PERC的背面沉积氧化铝,就是典型的化学钝化方式。

►减少少子浓度,往往通过场钝化方式实现:通过在界面处建立内建电场,可以减少少子浓度,降低复合速率。PERC背面的氧化铝除了可以进行化学钝化外,也可以在背面建立内场,来减少少子复合。

无论是PERC电池,还是HJT技术,其核心工艺环节的目的都是实现更好的表面钝化,延长少子寿命,提高转化效率。

什么是异质结?

HJT电池的结构和原理

►HJT电池结构:HJT全称Heterojunction with Intrinsic Thin Layer,也被称为HIT,中文名为本征薄膜异质结。HJT电池为对称双面电池结构,中间为N型晶体硅,然后在正面依次沉积本征非晶硅薄膜和P型非晶硅薄膜,形成P-N结。而硅片背面则依次沉积本征非晶硅薄膜和N型非晶硅薄膜形成背表面场。而由于非晶硅的导电性比较差,因此在电池两侧沉积透明导电薄膜(TCO)来进行导电,最后采用丝网印刷技术形成双面电极。

►HJT电池实现高转化效率的原理:HJT技术很好地解决了常规电池掺杂层和衬底接触区域的高度载流子复合损失问题。该技术的核心在于,其在P-N结之间插入了本征非晶硅层作为缓冲层,而本征非晶硅层对晶体硅表面有很好的钝化作用,可以大幅避免载流子的复合,实现较高的少子寿命和开路电压。

图表: HJT电池结构

 

 

资料来源:Solar Energy,中金公司研究部

HJT电池的发展历程

HJT电池的发展是不断提升转换效率和走向商业化的过程,具体可分为以下四个阶段:

►起始阶段(1974~1996年):1974年Walter Fuhs提出非晶硅与晶硅结合的HJT结构,1983年异质结电池正式面世,但转换效率仅为12.3%,1991~1996年日本三洋公司将本征非晶硅引入异质结电池结构,取得转换效率的大幅提升,并为此申请了专利。

►初步发展阶段(1997~2009年):1997年,三洋开始生产HJT光伏组件。此外,德国光伏设备公司Roth&Rau(后被梅耶博格收购)以及法国国家太阳能研究所(CEA/INES)也投入HJT电池的研发。

►工艺生产阶段(2010~2017年):随着2010年松下(收购三洋)的HJT专利保护结束,HJT迎来了快速发展时期,转换效率节节攀升。2017年,日本Kaneka以背接触技术与HJT结合,实现了26.6%的电池转换效率世界纪录。

►商业化和国产崛起阶段(2017年至今):随着量产工艺初步成熟,各国厂商开始投资HJT产线,由最初的中试线到100MW规模量产线,再到通威、爱康等厂商宣布GW级量产线计划,HJT电池成规模应用在即。此外,国产电池厂商和国产电池片设备商通过吸收国外先进技术与自主产业化开发,在HJT电池商业化时代的话语权不断提高。

图表:HJT电池发展历程梳理

 

 

资料来源:TaiyangNews,中金公司研究部

HJT电池的工艺流程及设备

HJT电池的工艺环节仅4步,分别为制绒清洗、非晶硅薄膜沉积、透明导电薄膜沉积、丝网印刷。相比PERC电池通常的9~10步,HJT的生产步骤大大减少,具有量产优势。

从设备的角度看,各环节均处于国产设备逐渐导入的过程中:

►制绒清洗:采用与PERC相似的湿法化学清洗设备,但要求更高的刻蚀损伤层厚度以及在低温环境下处理。制绒清洗工艺包括RCA清洗法和臭氧清洗法,臭氧清洗法在满足工艺需求的同时,化学品耗量和废料处理成本更低,因此应用更广泛。制绒清洗设备以YAC、Singulas等国外厂商主导,捷佳伟创已顺利实现该环节设备的国产化,迈为股份也通过与参股公司江苏启威星(引进YAC异质结制绒清洗全套技术,并结合自有半导体湿法技术研发)合作的方式突破了HJT清洗设备,加入整线解决方案中。

►非晶硅薄膜沉积:我们估计该阶段的设备价值量占比达到~50%,是HJT设备中价值量占比最高的设备。非晶硅镀膜工艺对清洁度要求很高,因此实现大规模量产的难度也较大。目前非晶硅沉积的主流工艺方法为PECVD(等离子增强化学气相沉积)。PECVD根据结构设计可分为直列式和团簇式,团簇式PECVD产能较大、交叉污染少,但传输系统自动化难度较高,直列式PECVD可再分为串联式和并联式,目前大多PECVD采用更易实现的串联式结构,并联式则以梅耶博格Helia-PECVD为代表。国产厂商中,捷佳伟创、迈为股份、钧石、理想万里晖、金辰股份均在PECVD有布局,但技术的细节方向上有所不同。

►透明导电膜沉积:我们估计该阶段的设备价值量占比达到25%。目前沉积TCO存在RPD(反应等离子体沉积)和PVD(物理化学气相沉积)两种路线。RPD与PVD的区别在于:1)RPD工艺采用蒸发镀膜法制备IWO导电薄膜(氧化铟掺钨),对硅衬底的轰击较小,薄膜导电性好,有望制备更高效率的电池,但缺点在于设备价值量更高,且靶材尚未规模量产。此外,ICO(氧化铟掺镉)等性能更高的新型靶材也有望推出。2)PVD工艺则用直流磁控溅射制备TCO,较为成熟,量产性更好,但受制于材料ITO的性能更差,近年出现了用PVD法制备的新种类SCOT材料,有望拉近与RPD+IWO的差距。目前两种技术路线并存,捷佳伟创的RPD设备已经顺利在爱康科技的产线装机,而迈为股份自主研发的PVD也已获得产线订单。

►丝网印刷:用于电池的电极成形,该工艺与传统晶体硅电池片差异较小,主要差异在于,由于HJT电池结构的薄膜被氢化,而氢在高温下会从薄膜中逸出,影响钝化效果,因此需要使用低温下固化的特殊银浆印刷电极。低温银浆丝印工艺的一种可能的替代方法是电镀铜/锡/镍,其材料成本更低、电导率更高,但由于技术不成熟,目前几乎无量产应用。此外,近年也出现了激光转印技术,通过激光无接触地将浆料挤压到电池表面,可降低银浆损耗并印刷更细的栅线,有望替代丝印的部分环节,帝尔激光有该技术储备。对于丝印设备而言,迈为股份和捷佳伟创均实现了国产化。

图表:HJT主要工艺流程及制造设备

 

 

资料来源:公司官网,TaiyangNews,中金公司研究部

HJT技术有哪些优势?

HJT技术本身的优势较为明显

►HJT具有更高的单瓦发电量,为下游带来发电增益,主要由于:1)衰减率低。HJT电池减反层采用了导电的ITO,电池片表面无带电可能性,因此无光致衰减效应;2)温升损失低。受益于高开路电压,HJT电池温升系数低于PERC电池;3)双面率高。HJT电池具有高度对称结构;4)弱光效应。HJT少子寿命更高,在弱光下发电量更大。根据梅耶博格的实测及统计,基于22%转换效率的双面HJT组件,HJT单瓦年发电量相比双面PERC组件高12%,相比单面PERC组件高28%。

►HJT良好的界面层钝化效果,使其具有更高的转换效率,有助于产业链全面降本。目前已量产的HJT产线(如松下、REC、晋能、钧石等)转换效率均在23%以上。2020年12月15日,爱康科技第一片异质结电池试样生产,效率达到24.59%。

►HJT降本空间大:HJT的对称结构和低温工艺让其更容易实现薄片化;低温工艺有望减少能耗等。

图表:HJT电池相比PERC电池技术优势明显

 

 

资料来源:Solarzoom,PV-Tech,中金公司研究部

图表:HJT电池相比其他电池的发电量增益

 

 

资料来源:TaiyangNews,梅耶博格,中金公司研究部

图表:不同正背面接触的理论转换效率上限

 

 

资料来源:《Solar Energy Materials and Solar Cells》,ISFH,中金公司研究部

HJT为平台型技术,后续升级空间广阔。

HJT后续可作为底层平台型技术,与其他先进工艺叠加。“HJT+”技术有望进一步提升转换效率至26%乃至30%以上,目前研发进展较快的主要有背接触以及钙钛矿叠层。

图表:晶体硅电池技术升级路线图

 

 

资料来源:第十五届中国太阳级硅及光伏发电研讨会,钧石能源,中金公司研究部

►叠加背接触工艺,转换效率有望提升到26%

HJT+IBC:IBC(全称Interdigitated back contact,交叉背接触)工艺是将正负电极均移到电池片背面的技术,主要特点为P-N结在背面呈叉指状间隔排列,而正面无栅线遮挡,因此避免了遮光电流损失。HBC在IBC电池的基础上,背面依次插入本征非晶硅钝化层和透明导电膜层,具有更好的钝化效果。另一方面,相比于HJT,HBC结合了正面无遮挡的技术优势,同时正面采用SiNx减反射层代替TCO,进一步减少了光学损失。

HBC的工艺难度大,设备成本高。HBC制备工艺包括:1)清洗制绒;2)双面本征非晶硅沉积;3)背面P-N扩散区制备,该步骤为核心工艺,应用技术包括光刻、掩膜(可通过丝网印刷或PECVD实现)、激光、离子注入等,其中光刻、离子注入等方法来自半导体工艺,设备及运行成本很高;4)正面减反射膜沉积,可由PECVD完成;5)背面透明导电膜沉积,可由PVD或CVD完成;6)丝网印刷等。由于P-N扩散区制备需要多次掩膜和光刻,HBC整体工艺流程可长达20步,梅耶博格与瑞士电子与微技术中心在2019年推出隧穿HBC结构,仅需一次掩膜,流程也可缩减为10步。

HBC可提升电池效率至26%以上。目前HBC电池仍处于实验室阶段。2017年日本Kaneka公司HBC电池实验室效率可达26.63%,2020年6月欧盟宣布拟采用梅耶博格设备量产25.4%效率的HBC电池,国内企业中,中来股份、天合光能有一定技术布局。

图表:HBC电池结构

 

 

资料来源:Kaneka,梅耶博格,中金公司研究部

图表:梅耶博格&CSEM隧穿HBC电池制备流程

 

 

资料来源:梅耶博格,中金公司研究部

►叠加钙钛矿叠层工艺,转换效率可超30%

HJT+钙钛矿叠层工艺:叠层工艺通过将可吸收不同波长太阳光的材料电池叠合,从而拓宽太阳电池对太阳光谱的能量吸收范围,大幅提高转换效率。在诸多光学材料中,钙钛矿具有高光吸收系数和高载流子迁移率,并能有效利用高能量的紫外和蓝绿可见光,与吸收红外光的晶体硅有良好的互补性,因此是理想的叠层材料。另一方面,HJT电池又是钙钛矿最合适的基层。钙钛矿的叠层工艺与镀膜工艺契合,同时湿度、热度稳定性差,通常需低于100℃进行工艺,因而与HJT电池(无水工艺、工艺温度<200℃)适配性良好。

钙钛矿-HJT叠层电池极限转换效率最高达46%。叠层技术尚处于研发阶段,目前主要由海外大学或科研机构进行,国内进展较少。截至目前,四端钙钛矿-HJT叠层电池(两个独立子电池机械串联)最高效率达27.7%,而二端钙钛矿-HJT叠层电池(两个电池整体联叠)最高效率可达29.2%。超长期看,单结钙钛矿-HJT叠层电池(叠加一层电池)极限转换效率可至33.7%,而双结叠层电池(叠加两层电池,材料不仅限于钙钛矿)极限效率高达46%,HJT作为叠层电池中不可或缺的底层技术,未来有望获得长期的效率提升。

图表:钙钛矿-HJT叠层电池发电增益原理

 

 

 

 

资料来源:Oxford PV,中金公司研究部

图表:钙钛矿-HIT叠层电池转换效率现状及天花板

 

 

资料来源:《Adv. Energy Mater.》,《Prog. Photovoltaics》,中金公司研究部 注:NREL为美国可再生能源实验室,ANU为澳大利亚国立大学

图表:一种转换效率25.4%的钙钛矿-HIT叠层电池

 

 

资料来源:《Adv. Energy Mater.》,中金公司研究部 注:该电池由德国海姆霍兹柏林材料与能源研究所(HZB)、牛津大学、牛津光伏等机构科学家在2019年2月联合推出

异质结的提效路径如何?

常规异质结电池具有多种提效路径。目前已量产的HJT产线(如松下、REC、晋能、钧石等)转换效率均在23%以上,但还没有达到HJT的理想转化效率水平。我们认为,未来常规HJT电池(不考虑背接触与钙钛矿叠层工艺)通过优化工艺、引入新材料、采用新结构等方式,有望使转换效率继续提升至25%以上。

图表:异质结电池提效工艺总结(不完全统计)

 

 

资料来源:CNKI,《Applied Physics Letters》,中国专利信息中心,中金公司研究部

PECVD环节:改进钝化及掺杂效果

本征层的改进:优化界面层钝化及降低内部缺陷

异质结电池之所以能够获得更高的转化效率,一个重要原因就在于本征非晶硅薄膜对于硅片有良好的钝化效果,因此优质的界面层钝化非常重要。此外,在沉积过程中,非晶硅内部也会存在少量悬挂键,影响钝化效果。

►预处理工艺。在沉积本征非晶硅层前对硅片使用氢氟酸或氢等离子体进行预处理,以刻蚀硅片表面的悬挂键或氧化物,优化界面钝化效果。

►反应过程中的氢等离子处理工艺。研究人员发现在沉积过程中,周期性地分解H2形成氢等离子体对非晶硅薄膜作用,可有效减少非晶硅薄膜的内部缺陷。该方法的缺陷在于氢会刻蚀非晶硅薄膜,影响镀膜均匀性,增加工艺控制难度。

►富氢离子处理引入i/p缓冲层。在非晶硅沉积后引入高氢浓度的SiH4,能够减少本征/P型掺杂层之间的接触缺陷,同时相当于生长了一层超薄缓冲层,调控i/p层之间最佳的带隙匹配。缓冲层较为脆弱,更易受温度影响,因此对工艺控制要求很高。

►改变镀膜顺序。过去镀膜通常采用ip+in或in+ip的顺序,即先完成同一面镀膜,再翻面完成另一面,该工艺的缺陷在于p型掺杂层镀膜完成后,硼残留在腔体及托盘表面,影响本征层的钝化效果。HJT电池本征层厚度仅5~10nm左右,硼污染会严重降低性能效率。因此新工艺采用i-in-p镀膜,虽然需要翻两次面,但可有效避免本征层受硼污染。捷佳伟创与迈为股份的PECVD量产机型已应用该技术。

图表:带有i/p缓冲层的HJT电池结构

 

 

资料来源:《Applied Physics Letters》,中金公司研究部

图表:i-in-p镀膜顺序

 

 

资料来源:《异质结太阳能电池PECVD工艺受硼污染解决方法》,中国专利信息中心,中金公司研究部

掺杂层的改进:纳米晶硅/微晶硅替代非晶硅

纳米晶硅/微晶硅是由非晶组分和晶粒共同组成的一种混和相材料。由于其相比非晶硅,内部结构更具有序性,因此具有掺杂效率高、电导率高等特点,同时又具有良好的长波响应特性,可与非晶硅组成叠层结构,提高太阳光谱响应范围。微晶硅材料的制备工艺与非晶硅基本相同,但在沉积参数上有所差异,常用的微晶硅沉积技术有PECVD、HWCVD(热丝化学气相沉积)以及VHF-PECVD(甚高频等离子体增强化学气相沉积)。

纳米晶硅/微晶硅的大规模应用仍需解决技术工艺问题。一方面,微晶硅生长速率较慢,通常使用VHF-PECVD制备微晶硅,但该方式可能导致大面积均匀性较差;另一方面,微晶硅在沿薄膜生长的方向存在纵向不均匀,在界面处易生成非晶孵化层,影响电池性能。

图表:不同微晶硅制备技术的优缺点

 

 

资料来源:《激光与光电子学进展》,中金公司研究部

其他电池环节:多种材料与工艺优化方式

►透明导电膜环节:靶材优化与多层TCO膜技术。通过研发新的TCO薄膜材料,或采用多层TCO组成导电薄膜系统,可提高TCO膜的导电率与光透过率。对于PVD工艺路线,ITO靶材已较为成熟,但可应用更低成本的AZO靶材;对于RPD工艺路线,新型ICO靶材载子迁移率可达50-150cm2/Vs,高于IWO的40-80cm2/Vs,有望大大优化薄膜性能。此外,研究者发现将TCO膜的厚度减为1/3~1/2,并覆盖以氮化硅、氧化硅等减反射率更高的材料,形成双减反层或三减反层,有助于减少载流子损失。多层膜工艺虽然被证明可提高转换效率,但不可避免地会增加工艺复杂度、加工时间与设备投入,因此与多层膜相关的制造工艺和设备仍在不断优化当中。

图表:不同TCO靶材对比

 

 

资料来源:中科院电工研究所,中金公司研究部

► 丝网印刷环节:低温银浆优化、激光转印技术。通过选择合适的银粉、环氧树脂、溶剂及添加剂,并通过优化配方及生产控制等方式,进一步降低银浆的电阻率及固化时间。此外,帝尔激光开发了激光转印技术,通过激光无接触地将浆料挤压到电池表面,可降低银浆损耗并印刷更细的栅线,同时降低了硅片表面压力,减少印刷流程中的碎片率,未来有望成为多主栅/无主栅、以及薄片化组件的匹配性技术。

► 整体电池环节:光注入。在PERC电池中,光注入工艺(电池完成后加光加热)有助于减少光致衰减。HJT电池无光衰效应,但研究者仍然发现光注入可提高HJT电池的转换效率,绝对转换效率提升可达0.3ppt。光源的选择上,应用高能量的激光可提高生产速率,帝尔激光已推出用于HJT电池的激光修复设备。

图表:HJT电池的光注入实验数据

 

 

资料来源:Solar Energy Materials and Solar Cells》,中金公司研究部

组件环节:无主栅技术等

►无主栅技术:光伏电池的栅线会遮挡部分太阳光进入电池,因此栅线越细,电流损失越小,并且单位银浆耗量也更低。通过MBB(多主栅技术)可降低主栅线宽度和副栅根数,而梅耶博格采用SWCT技术(Smart Wire Connection Technology,智能网栅技术)将一层内嵌铜线的聚合物薄膜覆盖在电池正面,形成交叉的导电网络结构,代替了传统的主栅,可实现24%以上的电池转换效率,降低50%以上的银耗量。

图表: 不同栅线设计的光伏组件

 

 

资料来源:梅耶博格,中金公司研究部 注:从左到右分别为二主栅、三主栅、六主栅和SWCT(无主栅)组件

异质结的降本路径如何?

HJT电池成本拆分

HJT电池的生产成本可拆分为硅片成本、非硅材料(包括银浆、靶材、气体及化学品)、设备折旧及产生的利息费用,以及其他制造费用(包括人工、动力成本)。

HJT电池成本较高主要体现在浆料、靶材以及设备环节。1)由于HJT所需低温银浆的导电性能相对更弱,且焊接拉力偏低,因此耗用量较大,同时低温银浆的国产化率较低,使得其价格目前大幅高于高温银浆。2)HJT需要额外沉积透明导电层,所用的ITO(PVD路线)或IWO(RPD路线)等靶材价格较高。3)HJT设备投资较高。我们估计目前HJT设备投资额为4~4.5亿元/GW,为PERC(约1.5~2亿元/GW)的2倍以上。

图表:PERC与HJT电池片成本结构估算(2020E)

 

 

 

 

资料来源:公司公告,CPIA,ITRPV,Solarzoom,中金公司研究部

HJT降本之关键环节

目前产业界对HJT电池的降本手段已较为清晰。除了解决HJT电池的成本“痛点”浆料、靶材及设备环节降本外,硅片减薄、提升整体转化效率也是重要的降本方式。

►硅片减薄:由于对称结构及低温工艺,HJT相比PERC电池更容易实现薄片化,根据ITRPV(国际光伏技术线路图《国际光伏技术线路图(2020)》),估计2020年HJT电池厚度约150μm,低于PERC电池的175μm,未来HJT厚度有望继续下降至120μm。薄片化有望带来硅料用量的下降。此外,若HJT量产空间打开,N型硅片形成规模化生产,N型硅片相比P型硅片的溢价有望降低。

►银浆耗量下降:除了开发同等性能下银含量更低的银浆外,在电池端亦可通过MBB、SWCT、铜包银(在铜表面覆银膜)等技术降低单片银浆耗量。根据梅耶博格,SWCT相比于基础情形可至少减少50%银耗量。

►低温银浆国产化:目前低温银浆提供商仍以京都ELEX等国外厂商主导,根据行业调研,我们估计目前低温银浆相比高温银浆的溢价可达30%,但苏州晶银、常州聚和等国产厂商也在迅速发展低温银浆并开启量供,未来银浆国产化及规模化生产后,其与高温银浆的价格差有望缩短。

►靶材降本:先导薄膜、壹纳光电等国产厂商有望突破日韩厂商垄断,规模化生产后驱动靶材国产替代,有望带来靶材单价的明显下降。此外,业界也在积极寻找更好的靶材替代。

►设备降本:我们估计HJT主要环节非晶硅薄膜沉积和透明导电层的设备价值量分别占设备投资额的50%和25%左右,其降本的驱动力主要来自于供应链降本与设备产能的提升。设备产能的提升可以通过叠加腔体、增大载板、连续镀膜等方式实现。如捷佳伟创致力于增大载板来降本,迈为股份则选择了多腔体连续镀膜的方式。

►效率提升:电池转换效率的提升可带来各环节的成本摊薄,我们预计2020年底HJT电池平均量产效率可达到24%,高于PERC的22.7%。我们估计此后每0.1ppt的转换效率提升可降低电池片单瓦成本约0.4%,如果未来基础HJT电池转换效率达到25.0%,整体电池成本可下降约4%。

►其他:除以上所述之外,单条产线的设备减少有望带来人员配置及动力消耗下降,工艺路线的成熟也有助于良品率的提升,均可带来HJT电池片生产成本的下降。

图表:HJT电池降本关键环节及降本空间估算

 

 

资料来源:公司公告,ITRPV,Solarzoom,TaiyangNews,梅耶博格,中金公司研究部

异质结降本路径推演

基于M6尺寸和PVD的技术路线,我们做一系列中性假设进行测算,我们估计HJT电池成本2021~2023年分别降低至0.82元/W、0.74元/W和0.63元/W。我们的基础假设如下:

►电池片效率假设:假设HJT电池的平均量产效率在2022年达到25%,到2023年进一步提升至25.2%。假设2020年HJT电池良品率95%,到2023年为97%。

►硅片假设:假设硅片厚度到2022年下降至130μm,到2023年下降至120μm,假设硅料成本每年下降10%左右,n型硅料溢价5%,硅片端利润空间每年略微下降。

►非硅材料假设:银浆方面,目前HJT组件主要采用9主栅结构,假设到2023年通过新的主栅技术银浆用量从200mg/片下降至100mg/片。假设低温银浆价格从8,500元/kg下降至与高温银浆基本平价的6,500元/kg。靶材方面,假设国产化后,耗量、价格均年降5%。

►设备价值量假设:我们假设2020年PECVD/PVD平均单台产能6,000片/小时,到2023年提升至10,000片/小时,假设产能每增大1%,成本仅提高0.8%,同时假设零部件采购端降本年降5%~10%。另外,假设丝网印刷和清洗制绒成本每年降5~10%,则我们估算到2023年,设备投资额大约可降低至2.9亿元/GW。

►制造费用假设:假设所需设备台数下降使得产线人工、动力成本每年下降25%。

根据以上基础假设,我们测算HJT电池成本到2023年的成本可以降低至0.63元/W,较2020年下降37%。

图表:HJT电池降本路径

 

 

资料来源:公司公告,CPIA,ITRPV,Solarzoom,TaiyangNews,中金公司研究部 注:制造费用包括人工、动力成本

图表:HJT电池成本结构变动

 

 

资料来源:公司公告,CPIA,ITRPV,Solarzoom,TaiyangNews,中金公司研究部 注:制造费用包括人工、动力成本

特别的,根据捷佳伟创的数据,若TCO环节采用RPD镀膜的方式,在常规HJT的基础上有望为HJT带来保守0.6%以上的转化效率增益。若RPD在产线上也可以实现同等效果的增益,同时设备成本和靶材成本端逐步下降,那么RPD的方法也有望加速HJT的降本速度。

异质结的发展路径如何推演?

我们估计PERC技术仍有提效降本的空间

虽然传统PERC技术的提效降本空间已经有限,但我们认为通过在PERC技术上做工艺加法,有望提升PERC的转化效率,降低生产成本。目前比较可能施行的工艺加法主要是PERC+和TOPCon技术。

PERC+有多种实现途径,捷佳伟创申请了一项PERC+的发明专利《一种具有透明导电层的单多晶P型单面PERC》,该技术在传统PERC电池上沉积透明导电层使电池片的受光率提高,同时通过其良好的导电特性降低串联电阻,从而提高转化效率。此外,捷佳伟创与润阳集团也签订了30GW的单晶PERC+合作框架协议,致力于将PERC+产线平均效率提升到24%以上。

TOPCon电池也备受业界关注。TOPCon电池的正面与PERC/PERT电池本质上相同,主要区别在于背面沉积了一层超薄的氧化隧穿层,并在上面覆盖了掺杂多晶硅层,氧化硅层可以使多数载流子隧穿通过,同时阻挡少数载流子空穴复合,从而降低了硅基底与掺杂层之间的界面态密度,并兼有高开路电压和填充因子。中来股份则称其采用POPAID(等离子氧化及等离子辅助原位掺杂技术)可实现24.5%的TOPCon电池量产转化效率。

图表:一种PERC+电池结构图

 

 

资料来源:《一种具有透明导电层的单多晶P型单面PERC电池》,中国专利信息中心,中金公司研究部

图表:一种TOPCon电池结构图

 

 

资料来源:中来股份,中金公司研究部

我们做一些基础假设计算PERC+的降本路径:1)假设PERC+ 2022年和2023年的转化效率分别提升至23.5%和24%;2)假设PERC+需要在原来的设备投资额基础上新增5000万/GW的投资,之后每年设备总成本下降10%;3)气体化学品等耗量较传统PERC增长10%;4)硅片每年降价5%。

基于以上假设条件,我们认为PERC+的单W生产成本有望在2023年降低到0.63元/W,基本跟我们上文测算的2023年HJT成本一致。但是在2021~2022年,PERC+较HJT将有更低的生产成本,因此我们预计也将存在较大的存量PERC改造需求。

图表:HJT电池降本关键环节及降本空间

 

 

资料来源:公司公告,ITRPV,Solarzoom,TaiyangNews,梅耶博格,中金公司研究部

全生命周期理论测算,高效HJT电池有望享受溢价

电池厂商的盈利能力一方面取决于电池片生产成本(我们前文已经有测算),还取决于销售端的售价。由于目前HJT、TOPCon和PERC+量产产能规模较小,没有实际量产后的市场化定价,我们以PERC+组件作为基准,采用使系统端LCOE相同的组件价格作为理论合理定价,计算全生命周期来看,HJT在组件端值得较PERC+多少的溢价。

►基础假设:1)假设规模生产情况下,HJT和PERC的转化效率分别为25%和24%(假设PERC经过改造成为PERC+),高效电池的应用将带来组件需求量的减少,因此与组件面积相关的BOS初始投资有望下降。2)由于HJT组件有更高的背面率、更好的弱光效应、更低的温升损失,我们假设其可带来7%的发电增益。此外,HJT具有更低的光致衰减率,我们假设HJT组件年衰减率0.3%,比PERC低0.2ppt。3)PERC的组件价格按照当前市场价格静态测算。4)BOS成本参考中国光伏协会发布的《中国光伏产业发展路线图》的数据。

►测算结果:根据以上假设理论测算,若HJT组件比PERC组件贵28%,那么两者光伏发电系统的LCOE可以持平。若假设HJT电池片价格也较PERC溢价28%,则理论来说,2021~2022年左右HJT的盈利能力有望追上PERC。虽然理论测算结果如此,但实际销售中下游并不会完全按照全生命周期成本定价,但在部分高端市场,高效HJT电池仍然有较高的市场溢价。

异质结产能拓展路径推演:2023年或可迎来HJT的大规模量产时代

根据我们上文的测算,若假设HJT技术在其单W成本低于PERC技术后迎来全方位的替代,那么我们估计这个时间可能发生在2023年;若HJT电池片在售价上可以较PERC溢价10%,且有足够大的市场消纳这部分高效电池需求,那么HJT产能可能在2022年就会进入快速扩张阶段。我们估计HJT设备的需求将呈现非线性的成长,在技术突破到关键临界点时,需求有望迎来爆发。

我们认为2020年是HJT产业化的开端

下游厂商加速布局,2020年是HJT产业化的开端。基于对HJT技术前景的看好,下游电池厂商纷纷布局加速,目前已经进行设备订单招标或采购的下游已有通威、阿特斯、爱康科技、东方日升、开盛集团等,且润阳集团也与捷佳伟创签署了5GW HJT战略合作框架协议。

图表:电池厂HJT新建产能规划(不完全统计)

 

 

资料来源:公司公告,中金公司研究部

2021~22年HJT有望开始GW级产线的扩产,同时我们认为存量PERC线的改造也将延长PERC寿命周期

进入2021年,我们认为随着设备产能的增长,各个环节的配合,HJT有望开始进行GW级产线的扩产。但考虑到存量PERC产能较大,且PERC+和TOPCon仍有降本空间,我们认为存量PERC也会迎来改造需求。

2023年之后有望进入真正的HJT时代

假设技术进步和降本路径按照我们前文的预测发展,那么我们认为在2023年之后HJT将真正具备成本优势,有望成为主流的电池片技术,开启非线性的成长。

图表:HJT行业设备订单预判

 

 

资料来源:公司公告,ITRPV,Solarzoom,TaiyangNews,梅耶博格,中金公司研究部

国产设备厂商冲锋在推动HJT技术的第一线

与PERC时代不同,在HJT时代,我们认为国产厂商无论在推动工艺改进还是设备降本方面,都起到了引领行业的作用。目前在设备端布局比较快的有捷佳伟创、迈为股份,以及钧石、理想万里晖、金辰股份等。其中,捷佳伟创分别于2020年5月30日、2020年11月23日与爱康科技、润阳集团达成异质结战略合作协议,未来有望在爱康6GW、润阳5GW量产线中提供全产线设备解决方案。迈为则在宣城开盛和通威金堂的招标中获得主要份额。

图表:HJT设备公司拓设备布局

 

 

资料来源:公司公告,中金公司研究部

我们认为,在技术快速迭代的背景下,具有强大研发能力,并在新一代技术上充当领跑者角色的设备企业有望率先受益。

风险

1)技术风险。若公司技术储备不足,则在下一代技术路线竞争中存在落后的风险。此外,若公司储备的技术不是下一代主流技术,则面临较大的经营风险。

2)下游需求不及预期风险。我们在正文中做的种种推演都基于产业链各个环节的参数假设,若某些环节的发展路径不及我们预期,则可能会导致HJT降本速度慢于我们预期,设备需求也将延后,甚至有可能出现另一种技术降本速度快于HJT从而成为主流。

3)设备价格下降风险。若下游向上游进行设备压价,则设备企业面临毛利率下滑风险。


责任编辑:高歌

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