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光伏电池行业分析报告32y
【2019年光伏电池行业】
---分析报告
2019年2月
一、光伏电池迎来“技术革命”,产能结构迈向高端化
1、光伏电池是典型的“技术驱动型”行业
技术的升级迭代是光伏电池发展的主要推动力。
光伏产业链按顺序来说包括硅料制造,硅片生产、电池片生产、光伏组件制造和最终的光伏发电系统。
每个产业链环节都有数十家企业参与竞争,因此提升效率和降低成本是企业永恒的追求,而背后最核心的推动力就是技术的升级迭代。
图表1:
晶体硅光伏电池产业链环节示意图
2、光伏发电的基本原理
产生电流通常需要两个条件,首先要产生自有电子,其次自有电子要定向移动。
►自由电子的生成:
通过掺杂微量元素增加载流子浓度。
纯净的、不含其它杂质的半导体称为本征半导体,在室温下,本征半导体共价键中的价电子获得足够的能量,挣脱共价键成为自由电子,在原位留下一个空穴,这种产生电子-空穴对的现象称为本征激发。
本征半导体中因而也存在两种载流子,分别是带负电的自由电子和带正电的空穴。
由于本征材料是电中性的,所以自由电子数量等于空穴的数量。
虽然本征半导体中有两种载流子,但是本征载子浓度很低,导电能力差,为了增加载流子的浓度,往往在本征半导体中掺入微量元素。
1)N型半导体是指掺入五价元素的半导体,如磷和砷。
掺入五价元素后,五价原子中只有4个价电子能与周围4个硅原
子中的价电子形成共价键,而多余的1个价电子因无共价键束缚而成为自由电子。
在N型半导体中,自由电子是多数载流子(多子),主要由掺杂元素提供,而空穴是少数载流子,一般由热激发而成。
2)P型半导体是指掺入三价元素的半导体,如硼和镓。
因为三价原子在与硅原子形成共价键时,缺少一个价电子而在共价键中形成一个空穴。
在P型半导体中,空穴是多数载流子,主要由掺杂元素提供,而自由电子是少数载流子,由热激发提供。
图表2:
P型半导体和N型半导体示意图
►自由电子的定向移动:
P-N结形成内电场,在光照激发下自由电子在电场力作用下定向移动。
1)内建电场的形成。
如果将N型和P型半导体紧密接触,则在接触面就会形成特殊的薄层,称之为P-N结。
由于P型半导体空穴浓度较高,而N型半导体自由电子浓度较高,于是在交界处会产生扩散运动,N型区的自由电子向P型扩散,与P型区的空穴进行复合,N型区中失去电子的磷元素就带上了正电,P型区的硼元素得到电子则带上负电,因此在交界处形成了内建电场。
在电场作用下,电子又会从P区向N区进行漂移,当扩散运动和漂移运动达到平衡时,交界处形成的一定厚度的空间电荷区称之为P-N结。
2)光照的激发和内建电场的综合作用下,自由电子发生定向移动,产生电流。
当光照射在P-N结上时,P-N结甚至其他地方的电子受到激发成为自由电子,这些自由电子在内建电场的作用下开始定向移动,从而产生电流。
图表3:
光伏发电原理示意图
3、传统光伏电池的制备流程
我们以传统Al-BSF(铝背场)电池的生产流程为例,介绍光伏电池生产的一般流程,主要包括7道环节:
制绒清洗、扩散制结、刻蚀和去磷硅玻璃、制备减反射膜、丝网印刷、烧结和分选。
►清洗:
切割后的硅片表面通常存在一层10~20微米厚的切割损伤层,需要通过碱性溶液或酸性溶液进行去除。
经过清洗后的硅片,进入制绒环节。
制绒方法包括机械刻槽法、反应离子刻蚀法和化学腐蚀法,生产中大多采用化学腐蚀法,即通过加入特定化学溶液腐蚀硅片表面,形成不规则的绒面。
单晶硅通常用碱性溶液进行处理,形成倒金字塔的绒面;多晶硅通常用酸性溶液处理,在表面形成孔状绒面。
►扩散制结:
在扩散制结环节,硅片被放在扩散炉的石英容器内,在高温下使用氮气将三氯氧磷溶液(POCl3)带入容器内进行反应,掺杂物质通过硅原子之间的空隙向硅片内部渗透扩散,形成P-N结。
►刻蚀:
由于在扩散制结环节中,硅片的表面和边缘也会被扩散上磷,导致P-N结的正面收集到的电子会沿着边缘有磷的区域流到P-N结的背面,导致短路。
因而,扩散制结后的硅片须经过刻蚀,借此除去硅片边缘的P-N结和磷硅玻璃层,防止出现短路的情况。
►减反射膜沉积:
经以上处理后的硅片,往往会经过PECVD设备(等离子体增强化学气相沉积)的处理,在硅片表面形成一层减反射膜来减少太阳光的反射。
一般光伏电池完成以上非金属工艺环节后,将直接进入金属工艺环节,也就是印刷电极和烧结。
►电极印刷:
电极印刷的工艺包括丝网印刷、激光刻槽埋栅、蒸镀工艺等,其中丝网印刷工艺是成本最低也是应用最为普遍的一种。
►烧结:
完成电极印刷后须进行烧结,以促使金属电极与半导体衬底接触时形成欧姆接触。
为形成良好的欧姆接触,在电极印刷环节,需要注意硅片、浆料、掺杂浓度等工艺的优化,烧结环节则需要对烧结温度、烧结时间和升降温速率加强把控。
►分选:
完成烧结后的电池片需经分选机的检测,达到分档的目的。
图表4:
AL-BSF电池流程示意图
图表5:
AL-BSF电池分层结构
4、光伏电池技术的改进都是围绕着转换效率的提升进行的
评价光伏电池性能优劣最重要的指标是转换效率,也就是光伏电池的最大输出功率和太阳入射光功率的比值。
要理解电池技术的改进路线,就必须先了解影响转换效率的因素有哪些,因为一切的技术改进都是为了解决效率损失问题。
影响光伏电池转换效率的因素主要包括光学损失和电学损失。
►光学损失:
1)太阳光被反射造成的损失。
当太阳光照射到电池表面时,一部分光被硅片吸收,但还有相当一部分光被反射,造成了效率的损失。
因此减少太阳光反射可以提高电池效率;2)太阳光被遮挡造成的损失。
电池的表面有金属栅线电极,会遮蔽部分阳光造成损失,普通光伏电池的正面遮光面积一般在7%左右。
因此减少遮光损失可以提高效率并且降低银浆的用量。
►电学损失:
1)少子寿命。
少子寿命指代少子的平均生存时间,也就是光生电子和空穴从在半导体中产生到其消失的时间。
对于光伏电池来说,少子寿命越长,电池效率越高。
减少电子和空穴的复合可以增加少子的寿命。
2)电阻较大。
电池内部的电阻包括串联电阻和并联电阻。
串联电阻为硅片基体电阻、扩散方块电阻、栅线电阻和烧结后的接触电阻之和。
其中栅线电阻主要靠丝网印刷参数决定,主要是栅线的清晰度和高宽比,栅线越宽,电阻越小,但遮光面积也越大。
接触电阻主要看烧结工艺。
此外,考虑到一定的光照下产生的电流是一定的,但如果电池的边缘刻蚀没刻断或者体内有杂质形成复合中心的话,就会引起电流的分流,导致穿过P-N结的电流减少,相当于与结区并联了一个电阻,并联电阻越大,电池效率越高。
如果出现以下情况,并联电阻会变小,如硅片杂质过多,硅片边缘刻蚀不彻底,背面铝浆印刷过程中污染了正面,导致P-N结烧穿等。
针对以上影响因素,电池生产发明了诸多提高电池效率的方法。
►如何减少光学损失:
1)制绒。
通过在硅表面形式绒面,对光进行多次反射来减少反射造成的损失;2)减反射膜。
减反射膜可以使入射光的各级反射相互间干涉从而互相抵消,在实际生产中发生在制绒环节之后,通常使用PECVD设备在硅片表面沉积一层氮化硅,不仅可以减少反射,同时可以减少表面的载流子复合,提高少子寿命。
3)改进栅线形状。
由于金属栅线不能透光,因此应该尽量减少金属栅线的遮挡,所以一般将金属栅做成指状或者网状。
►如何减少电学损失:
1)增加少子寿命:
可以通过沉积钝化层、建立背电场和浅结设计来实现。
钝化层可以减少载流子的复合,一般用氧化硅、原子氢等进行钝化。
而背电场则是通过在电池背面建立内电场,从而减少复合率,提高开路电压。
在P性电池的工艺下,一般在背面印刷铝背场,背面高掺杂铝的区域与P型基区构成P+-P高低结,产生内建电场,方向与P-N结方向一致,从而使载流子受到加速,减少了复合。
此外,浅结设计,也就是指通过低浓度掺杂来实现P-N结深小于0.3微米,可以显著降低硅片表面的载流子复合。
2)降低电阻。
如在金属栅线和硅片的接触面进行高浓度掺杂来降低接触电阻,从而降低串联电阻(形成欧姆接触)。
在实际操作中,减少某一因素的影响往往带来另一影响因子的作用,因此需要进行综合权衡考虑,比如SE技术(选择发射极)就是在金属栅线和硅片的接触面进行高浓度掺杂来降低接触电阻,但同时在其他地方进行浅结设计,也就是进行低浓度掺杂来降低复合,提高少子寿命。
图表6:
影响光伏电池转换效率的因素
二、PERC在众多技术路线中脱颖而出
大部分光伏电池技术的改进,都是为了解决以上的问题。
而哪种技术路线能够脱颖而出,一方面取决于其对电池效率提升的程度,另一方面取决于其经济性,是否具有量产条件,配套的设备和材料是否具备经济性。
1、单晶VS多晶:
金刚线切片技术带来单晶硅革命
单晶硅性能好于多晶硅。
1)单晶硅的少子寿命较多晶硅长。
由于多晶硅中间有大量的晶界,包含了很多缺陷,因此内部有很多复合中心,增加了载流子的复合率,减少了少子寿命。
粗略估算,单晶硅的少子寿命比多晶硅要高出数十倍。
2)多晶硅更易碎。
由于单晶硅的最大弯曲程度高于多晶硅,因此在电池生产和组件安装运输过程中不易破碎。
并且在长期冷热交替过程中不容易发生裂痕。
3)单晶的弱光效应更好。
在低辐照的地方,单晶硅对光子的吸收能力好于多晶。
4)单晶电池工作时温度更低。
由于单晶硅没有晶界,内阻更小,因此在工作时比多晶更低,功率损失更小。
单晶硅成本高于多晶硅,因此实际应用上仍然以多晶硅为主。
多晶硅的制造比单晶硅要更加容易,其生长更简便,可以直接切成方形,材料损耗小,对硅原料的容忍度也比单晶硅更高,因此单片成本要比单晶硅更低。
金刚线切割技术带来单晶硅成本的大幅下降。
金刚线切割技术因为高效环保、切片更薄等优点,迅速成为单晶硅切割的主流技术。
但是金刚线切割多晶硅却会在上面留下损伤,影响多晶硅的制绒。
2016年,单晶硅片制造商基本都采用了金刚线切割,并因此大幅的降低了制造成本,使得单晶硅片的价格逼近多晶硅。
根据《中国光伏产业发展路线图》,2018年单晶硅片的份额为37%,但到2025年预计可以达到46%。
图表7:
多晶硅与单晶硅市场价格变动情况图表8:
多晶硅与单晶硅市场份额变动情况
2、P型技术VSN型技术:
目前P型占主导,未来N型有望引领新一轮技术热潮
N型硅片具有优于P型硅片的性能,但产业化进度慢于P型
N型硅片与P型硅片相比有更高的效率提升潜力,主要由于其少子寿命更长,不存在P型电池的光致衰退。
但是由于磷与硅相容性比较差,因此N型电池的制造工艺更为复杂,制造成本也更高,加之P型电池的效率不断提升,因此N型电池占比还比较低。
不过N型硅片与P型硅片之间的价格差距也在逐步缩小。
根据ISCKonstanz的数据,N型电池的硅片成本目前仅比P型高3%~5%,相比5年前的30%的价格差,这一差距在迅速缩小。
图表9:
P型硅片与N型硅片价格差逐步缩小
PERC升级为主流,N型电池蓄势待发
目前的太阳能电池主要以P型电池片为基础生产,传统的P型电池采取铝背场工艺进行制造。
随着技术不断演化,提升电池效率的技术层出不穷,最终PERC电池脱颖而出,成为目前市场上的主流技术。
此外,PERC技术也在不断的更新迭代,涌现出PERC+SE、黑硅PERC、PERCT等PERC+的技术。
同时,电池制造商和设备企业为了提前布局下一代技术从而领先对手,也把目光都投向了更有潜力的N型电池,目前较有前景的技术路线包括N-PERT/PERL、TOPCon、HJT、IBT、HBT等。
图表10:
光伏电池技术路线图
图表11:
各类光伏电池生产技术概况
3、为什么PERC技术能够脱颖而出?
PERC全称PassicatedEmitterandRearCell,即背面钝化技术。
PERC采用Al2O3膜对晶体硅的背表面进行钝化,其优势在于,一方面通过降低背表面缺陷态的密度而降低背表面复合,另一方面可以提高背面内反射率,进而提升长波段光的二次吸收,这一优势在硅片薄化之后将更加明显。
图表13:
传统铝背场(AlBSF)电池和PERC电池的结构对比
PERC目前的份额如何?
目前来看,各种技术的光伏电池中,PERC市场份额接近40%。
PERC技术商业化的起点始于2015年,根据TaiyangNews的调查,截至2015年底,PERC的装机容量仅为4.5GW,但到2017年底,装机容量则接近30GW,实现了快速的增长。
根据EnergyTrend的数据,到2018年底,PERC的市场份额为39.6%;根据2018年初发布的《中国光伏产业发展路线图》数据,2018年底PERC的市场份额为35%。
目前,PERC已经成为单晶硅光伏电池的主流路线。
往前来看,未来几年PERC份额仍将稳步上升:
►根据EnergyTrend的数据,PERC电池的市场份额将从2018年的39.6%上升至2022年的44.5%,成为份额最大的技术路线;同时,N型电池的份额也将逐步上升,到2022年将超过10%,而传统的技术路线将逐步被升级换代。
►根据2018年初发布的《中国光伏产业发展路线图》数据,PERC的市场份额将从2018年的35%上升到2025年的64%;N型电池在2022年市场份额也将突破10%,而普通的AL-BSF电池市场份额将出现大幅降低。
图表14:
各类光伏电池技术产量份额
其他N-PERT背接触电池异质结电池PERC电池BSF电池
PERC为何能迅速实现产业化,并成为行业的主流?
PERC电池之所以能迅速在百花齐放的技术路线中脱颖而出,主要在于其能以最小的成本实现效率的大幅提升,因此其可以显著的提升电池厂的盈利能力,受到广泛欢迎。
我们总结,PERC之所以能迅速实现产业化,成为行业主流,主要有以下几点原因:
►效率显著优于传统电池。
通过使用PERC技术,单晶效率平均可提升约1%,多晶效率平均可提升约0.6%。
根据TaiyangNews,PERC电池效率的最高纪录已经达到了23.95%。
根据中国电子专用设备工业协会数据,目前单晶电池几乎都转向采用PERC工艺生产线,电池片量产平均转换效率超过21.8%。
多晶PERC已开始进入产业化阶段,电池片量产平均转换效率超过20.6%。
►工艺升级简单,可与多种技术路线相融。
PERC技术只需要在传统铝背场电池的工艺基础之上增加氧化铝背面钝化与激光开槽两个步骤、并优化单面蚀刻与边缘隔离这一前期工序就可以完成升级,无需全盘更换生产设备,相较工序完全更新的N型电池技术,成本显著较低。
此外,PERC技术可以与SE、MWT、双面等多种工艺相结合,提效潜力非常大。
►单晶硅硅片成本降低为PERC的推广提供了基础。
PERC最初在多晶生产中进行规模化应用,但效率提升较为有限,而在单晶硅上的运用则效率提升显著。
得益于金刚切割的应用,单晶硅价格下降,降低了硅片成本,为PERC技术的推广提供了基础。
►设备国产化降低采购成本。
氧化铝沉积环节所使用的PECVD和ALD设备是PERC发展的技术基础,此外还需增加激光开槽设备,国内设备厂商捷佳伟创、大族激光和江苏微导等本土企业已经实现了PERC设备的国产化,降低了电池厂商的设备采购成本,助力PERC技术推广。
►PERC技术显著提升电池厂商经济效益。
由于PERC能够带来平均1.5%的显著效率提升,目前单晶PERC电池片售价为1.30元/瓦,相比单晶电池片0.98元/瓦高出32.7%。
与此同时,PERC所需的生产线改造成本约为4美分/瓦,即0.25元/瓦。
在非硅成本提高的同时,由于效率提升带来的瓦数提升使得每瓦电池片的硅片成本也有所下降,我们估算PERC的毛利率较传统技术毛利率高出10ppt左右。
图表15:
单晶PERC效率记录
PERC可以如何改进?
PERC的另一很大优点在于其灵活性,也就是可以跟其他技术路线相融合,产生多种PERC+的路线。
虽然PERC已经取得了很大的进展,但是其效率提升的潜力依然很大:
1)PERC+SE,通过改善发射极掺杂比例降低电损失。
采用选择性发射极可以改善复合现象,快速带来高达0.3%的效率提升。
2)PERC+双面:
将普通的PERC电池改为双面电池非常方面,主要将其背面改为铝栅格即可,无需在背面使用金属银,具有非常大的成本优势。
3)多晶黑硅,采用黑硅制绒技术处理多晶硅,并用金刚线切割,可以有效的降低成本。
PERC技术生命力可以持续多久?
N型电池技术仍面临着技术不成熟与高成本问题。
与PERC有着较强竞争替代关系的技术是N型电池技术,包括HJT、N-PERT、TOPCON等。
但是目前N型电池技术依然面临着几大难点:
1)设备成本至少高出PERC50%以上。
N型电池技术如HJT所需的设备与现有产线完全不兼容,需要大量的设备更新投资。
与此同时,目前几大N型设备均以进口为主,如n-PERT的离子注入设备仍以国外进口设备为主,国内厂商捷佳伟创的硼扩散炉正处于样机调试阶段。
HJT技术目前设备以进口为主,非晶硅沉积设备主要来自日本松下和梅耶博格等外国厂商,设备成本较为高昂。
2)良率低、产品价格下降导致获利微薄。
由于技术成熟度仍然存在提升空间,目前N性技术良率普遍较低,导致其盈利能力不强,目前N型电池技术如HJT价格与成本基本持平。
3)单晶PERC技术的快速成熟挤压N型电池技术市场空间。
由于PERC技术改造成本低、效率提升显著,在性价比方面有着极大优势,挤压了N型电池的市场空间。
图表16:
各类电池片技术成本效益对比
P型电池量产转换效率达到22%后或将遭遇技术瓶颈,N型电池2020年后有望增长。
由于P型硅片有着少子寿命较短的物化缺陷,其效率相比N型硅片存在着一定差距,导致其在效率提升到22%之后将会遇到瓶颈。
由于对高效率电池片技术的追求是光伏电池行业的共识,而N型电池技术效率上限显著高于传统P型电池,因此未来仍有较大效率提升空间。
随着部分厂商加大对于N型电池的布局,预计2020年后N型电池技术将会逐步增长。
大型厂商梅耶博格也在近日宣布600MW的HJT设备订单,预计其将在2020年满产。
EnergyTrend预计2021年N型电池市占率将超过10%。
图表17:
N型电池市场份额预测图表18:
N型电池片各种技术路径占比
三、技术迭代引领新一轮设备投资
1、一代技术,一代设备
光伏电池片行业有两大特点,一是电池片厂商较多,下游竞争非常激烈;二是电池片技术的更新迭代速度非常快。
考虑到技术的更迭往往带来成本的下降和盈利能力的提升,因此技术领先的电池厂商在竞争中往往占领先机。
而技术的更新速度又是如此之快,导致没有追上技术进步脚步的企业面临被淘汰的危机,而抢先布局下一代主流技术的企业则存在弯道超车的机会。
正因为下游电池片企业都争相抢占技术先机,因此光伏设备上的突破常常倒逼下游厂商进行产线的升级,而当技术迎来升级换代之时,新一轮设备的需求则会迎来爆发。
在一个技术快速更迭,同时下游竞争又较为激烈的市场,光伏设备有望迎来持续的需求。
而谁能在技术上领先市场,谁就能成为最后的赢家。
我们看好光伏设备的发展,尤其在PERC产线升级浪潮中,光伏设备需求有望迎来爆发。
2、详解PERC电池生产设备
我们前文描述了常规铝背场电池的制造流程,其中涉及到的设备包括制绒清洗设备、扩散炉、刻蚀设备、PECVD、丝网印刷设备、烧结炉和自动分选机。
相比一般光伏电池,PERC电池额外增加了两道工序,即背面钝化膜沉积和激光开槽。
1)钝化膜沉积设备目前有两大类,一类是原用于氮化硅的PECVD,代表企业为捷佳伟创;另一类为原子半导体工业的ALD(原子层沉积)设备,代表企业为江苏微导。
2)激光开槽工艺是为了使硅片和金属电极形成良好的接触,因此要在背面钝化层形成接触开口,代表企业包括大族激光、帝尔激光、梅耶博格。
图表19:
PERC电池生产设备示意图
图表20:
PERC电池生产设备的用途及生产商
3、PERC设备市场空间达百亿,2019年将高速增长
我们以隆基股份银川年产5GW高效单晶电池项目为例,测算设备投资额和各类设备的占比。
该项目总投资30.5亿元,其中,设备购臵费用约为24.9亿元,占总投资的81.56%。
在设备购臵费用中,工艺主设备的占比为71%;为实现自动化生产,项目加配了自动化设备,占比为22%;检测设备占比为5%,辅助设备占比2%。
对于主设备而言,1GW的PERC产能设备投资额为3.5亿元。
图表21:
隆基新建产线设备采购计划
2019~2020年投产的PERC产能合计有望超过50GW。
随着PERC技术成为主流,各大电池厂商纷纷进行新产能的扩建和旧产能的更新改造,PERC产能快速提升。
根据PVInfoLink的数据,2018年行业PERC产能合计63GW,新增产能28GW(含新建和旧线改造)。
而根据我们自下而上的不完全统计,目前在建和拟建的PERC产能规模合计50.2GW,假设其于2019和2020年投产,则估算每年平均有25GW的新建产能。
考虑到:
1)我们仅统计了公开披露的产线信息;2)我们仅统计了新建产线,并未统计更新改造的旧产线;3)我们仅统计了目前公布了建设计划的产线,未统计未来新计划建设的产线,因此,我们认为未来2年的实际新投产产能将高于我们的统计。
图表22:
在建和拟建PERC产能规模统计
我们测算2019/2020年PERC产线关键设备市场空间为103/89亿元,分别同比变+24%/-13%。
根据我们上文的自下而上统计,我们估算2019/2020年新建PERC产能分别为27.0/23.1GW,根据隆基股份的产线数据,我们假设工艺主设备(不含自动化、检测和辅助设备)的投资额为3.5亿元/GW,则2019/2020ePERC关键设备投资为94.7/80.9亿元。
此外,我们假设传统的单晶硅电池产能将在2020年之前都转化为PERC产能,考虑到2017年底单晶硅电池产能约为20GW,我们假设2018~2020年每年老线升级的产能为6.6GW,我们保守的假设老线升级改造只需新增背面钝化设备和激光开槽设备,也即1.3亿/GW,则我们估算老线改造带来年均市场空间为8.6亿元。
综上所述,我们测算2019/2020年PERC产线关键设备市场空间为103/89亿元,分别同比变化+24%/-13%。
但正如前文所述,考虑到我们自下而上的统计仅统计了已公布的产线,不排除接下来仍有新建产线计划,因此2020年的计算存在偏低的风险。
图表23:
设备投资市场空间测算
制绒、背
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