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一方面是光伏的计划装机量飙升,另一方面跟着主导技能PERC的光电转化功率迫临理论极限,正处于技能迭代的关键时刻。
光伏职业有一个特色,便是主导技能会占有绝大部分的商场份额。今日占有肯定商场方位的PERC(发射极钝化和反面触摸),从前打败了旧霸主BSF(铝背场电池)。但现在PERC也逐步挨近自己的光电转化功率理论极限,下一代主导电池会是谁?
当下就呈现了显着的技能分流,一路以TOPCon(隧穿氧化层钝化触摸)为代表的渐进式立异技能,工艺与PERC技能一脉相承,70%的PERC出产线可以复用,只需求进行几步工艺的迭代晋级,传统巨子许多挑选了这条道路,但缺点在降本空间低,以及良品率还有所短缺。
另一路是以HJT(本征非晶层异质结)为代表的推翻性技能,具有更简练的工艺流程(只需求4步)、高转化功率等优势,但它是全新的工艺系统,需求重建出产线,而且HJT的低温工艺导致银浆消耗量添加,怎么把昂扬的本钱降下来是首要方针,新玩家大都以此破局。
在当下时刻点判别谁会称雄下一代光伏电池还为时过早(最近IBC技能也兴起了一股热潮),不过不管哪种技能,终究LCOE(平准化度电本钱)都是点评的唯一标准。咱们今日这篇文章,就从PERC代替BSF的前史讲起,再来剖析TOPCon与HJT等下一代电池技能的优下风,这样的技能进步就像是接力赛,维系了光伏职业的高速添加,以下:
TOPCon 重兵先至:与PERC产线复用享有本钱优势,怎么添加降本空间、进步良品率是首要方针;
HJT如箭在弦:更简练的工艺与高转化功率,怎么把昂扬本钱降下来是首要方针;
早在2016年,跟着太阳能光伏板的产能扩张,太阳能就现已成为了一种廉价的电能来历。专家们预言,太阳能光伏发电代替化石燃料仅仅时刻问题,尽管在那时太阳能还只能满意国际不到1%的动力需求。
在人类的前史中,每一次科技改造也离不开一种新的动力来历,第一次工业改造是运用煤炭驱动的蒸汽机,第2次工业改造是运用石油的内燃机,第三次IT改造则是运用电力的核算机,降本增效一向是人类运用动力的永久主题。
从动力运用功率的视点看,太阳无疑是最直接的一级动力。尽管石油、天然气和煤炭等化石燃料今日供给了国际上80%以上的初级动力,但它们恰恰是陈旧的太阳能储藏,古生物运用光合作用将太阳能贮存为化学键,变成遗骸后经过千百万年的碾压和加热,在岩层下的它们变成了咱们今日运用的高能量燃料。
但假如咱们可以绕开这些低效的转化链条,直接运用太阳照射到地球上的光束,无疑是损耗更低的办法。
光伏之所以还没有成为更干流的动力,中心原因之一是光电转化率受S-Q极限(肖克利奎伊瑟极限)的约束,极限功率为33.7%。现在硅基光伏挨近硅基单结极限29.3%,制造本钱也挨近极限。S-Q极限是依据P-N节单结的理论核算,未来有或许经过多结来打破。
经济性是全部动力挑选最中心的原因,光伏在近几年敞开大规划运用,首要便是由于发电本钱大幅下降。依据IRENA核算,光伏发电的度电本钱在2010-2020年间均匀下降了85%以上,抵达了与传统动力发电平价的水平。
而在经济性反面,是技能进步。光伏职业是严酷的,一旦新技能获得LCOE(平准化度电本钱)优势,旧技能就简直会被彻底筛选,在同一运用场景下LCOE是点评光伏技能的唯一标准,没有共存的或许,没能及时转型的公司也会因而破产。
光伏工业开展至今,在试验室中呈现了许多技能道路,令人目不暇接。新技能要快速成为干流,代替时刻点一般呈现在已有肯定本钱优势、并会随时刻继续拉大时。有些技能很快完结代替,而有些不合乃至阅历多年开展才有了终究的工业结论。
src=光伏职业的上一轮技能道路大战,是单晶硅和多晶硅之争,从上世纪70年代开端继续了约半个世纪。尽管多晶自呈现以来,其转化功率和试验潜力一向低于单晶,但因简略的工艺、廉价的出产设备、更大的产能等优势,令其归纳性价比弥补了光电转化功率的下风,在2016年之前多晶的BSF技能占有了商场的肯定干流(90%以上)。
但在2016年之后,跟着单晶的工艺更老练,比方金刚线切割的技能打破,都使PERC电池技能愈加老练,体现出肯定本钱优势,再加上PERC自身的光电转化功率更高,因而在2017-2021年左右,单晶的PERC快速完结了技能代替,从2016年的10%商场份额,一路杀到91%。
src=按现在的硅基转化功率核算,光电转化功率每进步1%,相当于能进步4%的发电增益。由于光伏职业的技能替换如此彻底,一些BSF年代的光伏巨子来不及回身,终究破产,例如从前的光伏巨子无锡尚德。技能改造有其严酷的一面,押注新技能尽管不简略,但假如不能完成自我改造,被推翻必定是终究命运。
在2022年的结尾,尽管P型电池的PERC技能依然占有商场干流,但现已越来越挨近理论转化功率极限(24.5%),导致P型PERC单晶电池很难再有大幅进步,技能替换的时刻点又一次到来。
而N型电池具有转化功率高、光致衰减低、温度系数低一级优势,有望接棒P型成为下一代技能干流。下面咱们就来剖析N型电池中被商场评论最多的TOPCon与HJT技能,它们的优下风、现在被卡在什么环节、降本增效的途径怎么走……
在详细剖析TOPCon和HJT之前,咱们想先简略说一下光伏电池的技能原理,比方刚刚说到的P型电池和N型电池,假如您现已了解,可以越过此部分。光伏职业有许多专业术语,篇幅有限,咱们也无法介绍得太细,咱们只把一些根底概念介绍清楚。
关于晶硅光伏电池,发电的中心结构是PN结。硅作为一种半导体资料,导电才能来自于可自在移动的电子和空穴两种载流子。由于空穴本质上是电子跃迁到导带自在移动后在价带留下的空位,因而二者是成对一起构成的。
首要,假如是一块彻底纯洁的硅资料,两种载流子数量浓度相同,被称为本征半导体,这种状况下并不具有发电才能。
所以科学家创造出一种办法,在纯洁的硅资猜中掺入少量硼等三价元素原子,这便是咱们所说的P型半导体。由于杂质原子最外层电子数比硅少一个,剩余的空穴就被引进,导电时将发挥首要作用,电子则成为少量载流子。
src=而假如掺杂磷等五价元素,则会构成N型半导体。光伏发电的产生,就需求P型和N型半导体彼此触摸构成PN结。光照条件下,硅原子外层电子吸收了光子能量而跃迁,P端和N端构成电势差,当接入外部电路构成回路后即可对外发电。光照中止后,发电进程也随即中止,所以光伏电池自身是发电产品,不贮存电能。
光伏电池首要经过在硅片外表,高温分散掺杂元素的办法来构成PN结。假如扩磷,便是P型电池,曾经的BSF电池和当下的PERC都归于此类;假如扩硼,便是N型电池,下一代电池TOPCon就归于此类。不过HJT不需求硼扩进程,是在N型硅片上堆积P型非晶硅层。
src=由于扩磷相对简略,所以P型电池更早老练。扩磷所需的反响温度不必太高、时刻较短,硅片也相对不简略产生曲翘、碎片、氧堆积的问题,有利于电池良率的进步。
比较之下,制造N型电池所需求的扩硼,推结时需求900℃以上,且时刻更长,工艺也杂乱得多。但N型电池具有更高的少量载流子寿数,这是它最中心的优势,可以制造更高光电转化功率的电池。而且温度系数低、弱光性好、抗衰减性强,可带来额定的发电量增益,所以下一代电池技能TOPCon、HJT都选用了N型电池技能。
TOPCon电池技能,全称即隧穿氧化层钝化触摸技能。由于PERC电池的金属电极,仍与硅衬底直触摸摸,这会对光伏电池的功率产生负面影响。
因而,用薄膜将金属与硅衬底阻隔的计划应运而生,TOPCon在电池反面制备一层超薄氧化硅,再堆积一层掺杂硅薄层,二者一起构成了隧穿氧化层钝化触摸结构,极大下降金属触摸复合电流,进步了电池的开路电压和短路电流,然后进步电池转化功率。
src=TOPCon电池的理论功率极限为28.7%,现在均匀量产功率超越24%,比较P型PERC电池有更高的功率空间,这是TOPCon的一大优势。
TOPCon的第二大优势,是与现有PERC产线兼容,只需在工艺上额定添加3-4步便可进行晋级,约有70%的设备可以兼容。比较于HJT需求彻底替换出产线,TOPCon本钱愈加可控,可以控制在1.8亿/GW以内。在面对大规划 PERC 产线设备财物折旧计提压力下,晋级为TOPCon电池,拉长设备运用周期,下降淹没本钱,令TOPCon具有很好的性价比。
从整个工艺出产流程上来讲,PERC大致可分为8道工序左右,从清洗制绒,到分散掺杂,到边结绝缘、到刻蚀、到背部钝化、减反膜,激光开槽、丝网印刷等等。TOPCon在这8道工艺流程的根底上,又添加了4道左右,首要是硼扩、多晶硅膜制备、氧化硅膜制备,以及磷掺杂等等,其他工序类似程度较高。
src=其间,TOPCon制备工艺中最中心的环节是多晶硅的堆积,新增的中心设备也便是 LPCVD(低压化学气相堆积)、PECVD(等离子体化学气相堆积)设备以及镀膜设备环节。现在最老练的计划为LPCVD道路,经过热氧法生长隧穿氧化层,经过LPCVD堆积多晶硅层,随后进行磷分散。
src=不过LPCVD镀膜均匀性好,致密度高,可是功率上没有优势,一起绕镀问题也是其首要约束之一。绕镀的首要原因是,TOPCon用到许多石英管式的设备,这是沿着PERC技能道路开展而来的,一般称为热壁式CVD,整个石英管在作业的时分都是被加热的,它会带来绕镀(绕扩)问题,便是会产生绕到反面镀上一层膜,或许绕到反面产生分散等等问题。
这或许是一种原理性的缺点,可以经过工艺来改善,但或许难以根除难,或许未来经过一些新技能,比方热丝CVD做无氧扩硼来部分处理。
以上谈了许多TOPCon的优势,那么下面来看看TOPCon的下风。其间最中心的在于,由于TOPCon连续了PERC的高温工艺,使其未来在涉硅环节的本钱下降方面,空间变得狭小。
光伏电池的本钱,首要包含两大类:一类是涉硅本钱,一类对错硅本钱。涉硅本钱首要是硅片;非硅本钱首要有浆料、靶材等,其间本钱占比高的是浆料,TOPCon在制备中需求用高温银浆。一般状况下,其本钱占比分别为硅片62%、浆料20%、其他6%,硅片与浆料本钱占比超越80%。
src=不管是TOPCon仍是HJT,一大降本途径便是把硅片切薄。为什么说TOPCon在涉硅环节的降本空间狭小?首要便是由于TOPCon需求高温工艺,硼扩环节需求大约1000度的高温,烧结环节大约也需求800度左右,假如硅片切的太薄,会产生严峻的翘曲,一旦有翘曲,在后续的丝网印刷中很简略碎裂。
现在硅片对应的原资料硅料,现在价格也比较高。现在业界正在从175μm,逐步切薄到160-165μm,工业界一致是极限在140μm。
另一大降本途径是削减浆料,例如削减栅线的银浆用量等工艺改善,但这一点不是TOPCon独有的,与其他技能途径同享。
所以怎么添加降本空间,是TOPCon若要大规划运用的首要问题。此外,TOPCon的良品率还有待进步,现在均匀良率在96%左右,假如到不了99%以上,不能处理良品率问题,TOPCon就很难真实大规划运用。由于太阳能电池作为一款大宗工业品,许多工厂都是几百亿流水,假如由于良品率而影响赢利,这个技能的上量就会严峻受阻,它可以抵达几个GW,可是要想抵达几十GW会困难。
在这个第二代光伏电池向第三代演进的时刻,TOPCon对现有技能进行改善,以渐进式立异重兵先至。
不过能否获得终究技能途径的主导权,也需求看其他技能的开展速度,下面咱们就来剖析另一路更具推翻性的技能——HJT(异质结)。
HJT全称为本征薄膜异质结电池,它是对称双面电池结构,中心为N型晶体硅。HJT电池也是依据N型硅片而制备的新式电池,具有电池功率高、温度系数低、不存在光致衰减(LID)和电位诱发衰减(PID)效应等优势。
src=HJT电池具有许多优势。据民生证券剖析,第一是制备工艺流程很短、良品率高。HJT只需求4步环节:制绒、非晶硅堆积、TCO堆积、丝网印刷,远少于PERC和TOPCon的10+进程。
src=这也使得HJT的良品率现在比较高,职业里不管是中试线仍是GW级量产线%。
第二是转化功率高。首要得益于N型硅衬底,以及非晶硅对基底外表缺点的两层钝化作用。现在量产功率遍及已在24%以上,25%以上的技能道路现已十分清晰,即在前后外表运用掺杂纳米晶硅、掺杂微晶硅、掺杂微晶氧化硅、掺杂微晶碳化硅代替现有的掺杂。HJT未来叠加钙钛矿转化功率或可进步至30%以上。
第三是低衰减。HJT电池首年衰减1-2%,尔后每年衰减0.25%,远低于PERC电池的衰减状况,也因而 HJT电池全生命周期的发电量要高出PERC电池。反面的原理在于,HJT电池衬底一般为N型单晶硅,而N型单晶硅为磷掺杂,不存在P型晶硅中的硼氧复合、硼铁复合等,所以HJT电池关于LID效应是免疫的。HJT电池的外表堆积有TCO薄膜,无绝缘层,因而无外表层带电的时机,从结构上防止PID 产生。
第四是温度系数低。HJT的低温度系数意味着,在组件高温运转环境中,HJT电池具有相对较高的发电功能,然后完成发电量增益,而且下降系统的度电本钱。所以HJT电池特别合适沙漠等高温场景。
再结合HJT电池双面率高和弱光效应等等优势,归纳来看双面HJT电池全生命周期每W发电量,会明显高于双面PERC电池,相对优势在7%左右。
现在约束HJT量产的中心原因,便是本钱太高了,HJT简直全部环节的本钱都高于PERC。下面咱们来看看HJT本钱昂扬的原因,以及或许的降本途径。
HJT与PERC的工艺道路彻底不同,无法延伸或晋级,只能从头投产线,因而PECVD等制膜和真空设备的投入会带来十分高的转化本钱。
PERC、TOPCon中心的制结工艺,均归于600℃以上的高温工艺系统,而HJT是选用200℃以下低温超薄薄膜工艺,这是制备上的中心差异。
这种工艺的不同是双刃剑,一方面导致现有产线无法复用,但另一方面也带来了新的或许性,比方把硅片切得更薄。
在HJT电池的总本钱中,硅片和非硅资料本钱占比最高,分别是47%和33%,两者占到总本钱的80%。HJT能否抢在其他技能途径老练之前,快速下降本钱,将起到决定性作用。
硅片不管是TOPCon仍是HJT,都是第一大本钱,所以硅片薄片化,下降硅耗量,是电池片环节降本的必经之路。HJT由于选用了低温工艺,可以运用更薄的硅片,碎片率更低,由于不会因高温引发物理形变。有业界人士表明,HJT硅片厚度有望完成100μm,而TOPCon和PERC现在能完成的在160μm上下。
假如HJT在2022年末可以完成120μm的量产,与TOPCon和PERC的160μm中心相差40μm,以现在硅料的价格每差20μm,大约折算到每瓦差0.05元,那么40μm便是每瓦0.1元的距离,而咱们知道1GW等于10亿瓦,所以1GW的产线亿元。
src=另一大降本途径是下降银浆消耗量。由于HJT是低温工艺,所需求的是低温银浆,不会有TOPCon或PERC在高温下的熔融状况,在和TCO导电膜触摸进程中,就不会结合得那么好,触摸电阻变大,终究导致电流小、功率低,为了削减触摸电阻,就需求把整个栅线触摸面积做大,那消耗量天然要添加。只要让导线的截面积越大,它的电阻越小,导出的电流越高,终究功率才越高。
一起,低温银浆的国产化率较低(只要5%左右,首要在日韩),其价格现在大幅高于TOPCon和PERC的高温银浆。
现在工业界在测验许多下降银浆消耗量的手法,包含银包铜、银合金、铜电镀、多主栅、非触摸激光印刷技能(PTP)等等,这儿咱们首要介绍铜电镀和银包铜。
铜电镀是一种非触摸式的电极金属化技能,在基体金属外表经过电解办法堆积金属铜制造铜栅线,搜集光伏效应产生的载流子。铜电镀可以代替银浆,一起缩短线宽、添加光照面积,进步转化功率。电镀铜能把本钱下降至0.07-0.08分/W,比较银浆下降一大半。
铜电镀的进程,类似于半导体中光刻工艺。先是图形化,硅片经制绒清洗、非晶硅堆积、TCO薄膜堆积后,在TCO薄膜外表堆积一层绝缘减反射膜;绝缘减反射膜为掩膜层,运用激光炙烤掉所规划电极图形处的绝缘减反射膜,清洗后显露下方的TCO薄膜,即电镀铜附着方位。
src=然后是金属化,经过电镀在方针图形处制备铜电极;之后去掉掩膜及种子层,电池正反面均需重复此项操作。这个进程类似于半导体中光刻工艺的涂胶、曝光、显影、刻蚀/离子注入、去胶进程。电镀铜现在的首要问题会集在脱栅、氧化、环保以及设备出资本钱高级,工业界仍在进一步迭代。
银包铜简略来说是在铜的外表包裹银粉,其间要运用物理或化学的办法,在铜外面长出一层均匀的银包在铜外面,产生一颗一颗小的银包铜的纳米球,再用它去做成浆料,在低温加工工艺中令铜作为导电资料,然后下降银的运用量。
银包铜技能,曾经被用在半导体被迫元件里的导电浆,电子职业有不短的运用前史,现在工业界在测验改造它的印刷功能,以用在太阳能电池上。
一般低温银浆中银含量约92%,8%为有机物玻璃粉等,而银包铜中银、铜、有机物的含量配比工业界在测验中,现已能完成60%/30%/10%,方针希望是要将银含量下降到50%以下,例如41%/51%/8%的配比,一起确保功能和纯用银浆相同。
假如经过银包铜技能将银份额降到50%,那每瓦0.18元的银浆本钱会大幅下降,不过会添加一点铜的本钱(铜很廉价,不会高于每瓦0.01元)、浆料用量会上升,以及新的加工费。
现在业界对银包铜的质疑在于,忧虑铜是否会流出来,损伤硅片的导电性。可以说:现在关于铜是否会流出来,说法纷歧,有的以为铜会逐步迁移至外表,并被氧化;实证测验也作用纷歧。不过,铜无法穿透ITO抵达硅片以损伤半导体的电特性,已是职业一致。
假如要说银包铜的下风,最中心的在于它无法提效,由于银的导电功能仍是比铜要更好,所以银包铜技能道路仅是一个降本道路。其次是或许会带来潜在的组件质量可靠性下降,但详细还有待实践测验;再者是下降银消耗量有下限,无法一向下降。但在HJT本钱昂扬的今日,降本是第一步。
src=当然,除了以上说到的硅片本钱和银浆外,HJT的本钱昂扬还体现在非硅资猜中的靶材、设备出资较高级等。在靶材方面,HJT需求额定堆积通明导电层,所用的ITO(PVD道路,物理气相堆积)或 IWO(RPD道路,反响式等离子体镀膜设备)等靶材价格较高,且国产化率低。在设备出资方面,现在HJT的设备出资额为3.5-4亿元/GW,为PERC(约1.5~2亿元/GW)、TOPCon(1.6-1.8亿元/GW左右)的2倍以上。特别是由于HJT还没有商场化,所以各个设备企业还不敢大规划投入、大批量扩产,设备本钱还无法享用规划效应。
src=从客户招标视点来看,客户往往只会指定要N型组件,不会指定TOPCon仍是HJT。那么在招标进程中,假如仅从短期本钱视点看,TOPCon的确有优势,由于当下TOPCon与HJT的转化功率差不多。
所以此刻正处于一个十分焦灼的时刻点,TOPCon有本钱低的先发优势,HJT尽管终究降本空间大、工艺流程简略、假如叠加微晶技能会有更好的功率进步(微晶技能对功率的增幅很大,但本钱依然较高),但降本速度至关重要。
假如动态的看,HJT若在2023年硅片厚度切薄到90μm,设备经过技能迭代,出资再降到3 亿元/GW以下,那么HJT的威力才会显示出来。
在咱们所做的专家访谈中,我们并没有对谁会主导下一代光伏池到达一致。不少传统大厂倾向于渐进式立异的TOPCon,由于可以连续旧有产线;新玩家大都会挑选更具推翻性的HJT,来打破现有格式,但现在谁好谁坏还没有结论。
现在光伏电池商场依然是P型电池PERC在主导,商场占有率在90%以上。新技能亦在蓬勃开展,由于我们都知道PERC的理论转化功率极限是24.5%,现在现已挨近了这个时刻点,N型电池行将走到舞台中心。
N型电池里,业界抢先企业的TOPCon电池研制功率,均已能抵达25%以上,量产线%。HJT电池从近年试验室研制成果来看,大面积的光电转化功率也能容易打破25%,2022年隆基更是将最高记载改写至26.81%,打破了日本于2017年创下的依据HJT的IBC电池的功率,隆基预期将HJT的试验室功率抬升到28%,量产功率抬升到27%,假如这样的方针可以完成,HJT将优势凸显。
src=不管是TOPCon、HJT仍是IBC(交指式背触摸)等等技能道路,要想大规划代替PERC,不仅是光电转化功率要超越PERC,一起决胜在LCOE(平准化度电本钱衡量),要核算在全发电生命周期内,产生每一度电所分摊的本钱,这包含了全部归纳性投入。
在当下的技能不合期,每一项技能迭代都值得敏锐重视,由于技能迭代存在偶然性。在PERC开展的初期,从前有一个丧命的光衰问题,其时PERC尽管光电转化率比BSF高,可是被太阳光一照,功能就呈现衰减,这个工作困扰业界好久,假如卡在这儿PERC就无法大规划遍及。但终究经过十分简略的光注入技能,以极低的本钱处理掉了。
用一个业界盛行的比方,假如用汽车工业做比照,PERC相当于燃油车,TOPCon相当于混动车,HJT相当于纯电车,钙钛矿相当于氢动力车。
除了TOPCon和HJT,IBC也是当下越来越炽热的技能途径之一,不少大厂也在此道路上重金投入。有一些商场观念以为,未来IBC或许会代替TOPCon,挤掉HJT的商场方位,成为光伏赛道一个很大的新不确定要素。
假如放眼更远的未来,不管是TOPCon仍是HJT,均归于晶硅太阳电池的规划,学界遍及以为晶硅的理论最高光电转化功率为29.43%,要想进一步打破天花板,还需求更新的资料打破,比方钙钛矿,钙钛矿也是本年十分炽热的出资赛道,但这便是别的一个故事了。
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