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银包铜,HJT电池降本的关键驱动力

Time:2022-03-03Number:1322

一、全球光伏市场发展空间广阔

(一)光伏清洁能源市场潜力较大,新增装机量持续增长

1.绿色发展与可持续发展迫在眉睫,光伏行业市场广阔

全球经济发展与环境面临压力,可再生能源重要性日益凸显。在全球经济快速发展 的同时,对能源的消耗也在日益扩大,全球的环境也在承受着巨大的压力。与此同 时,很多能源消费大国也在面临着常规化石能源可持续供应能力不足的困境。可再 生能源愈发受到全球各国的重视,很多[敏感词]都在积极研发对可再生能源的利用,绿 色发展与可持续发展已迫在眉睫。

减碳加速大背景较为明确,光伏发电优势明显。国际上,自《巴黎协定》生效之后, 全球开启了气候治理的新时代。作为全球[敏感词]的能源生产国和能源消费国,我国在 发展的同时,积极承担起大国责任,并于2020年提出了“双碳”目标。在“双碳” 的大背景下,可再生能源成为各国重要的能源结构改革方向。与风力发电、生物质 能发电和水力发电等新型发电技术相比,光伏发电是一种[敏感词]可持续发展理想特征 的可再生能源发电技术。光伏发电以其清洁、安全和易获取等优势,已成为全球可 再生能源开发和利用的重要组成部分。

光伏发电占比逐步提高,发展潜力较大。目前全球可再生能源发电量仅占约全球总 发电量的29%,其中光伏发电量约占全球总发电量的3%,折合约占可再生能源发电 量的10.34%,光伏发电的比例还有较大的提升空间。

2.全球光伏新增装机量快速增长,政策助力行业发展

CPIA预测全球光伏新增装机量持续快速增长。光伏发电在很多[敏感词]已成为清洁、低 碳、同时具有价格优势的能源形式。2021年,在光伏发电成本持续下降和全球绿色复苏等有利因素的推动下,预测全球光伏市场会继续快速增长。在多国清洁能源转型 的推动下,CPIA预计2020-2025期间全球光伏装机持续增长,每年新增约 210-260GW。乐观情况下,2030年预计新增装机量330GW。

我国新增光伏装机容量与累计光伏装机容量双重领先。2020年我国新增光伏装机容 量达48.2GW,连续8年居世界首位。随着每年新增装机数量的持续增长,2020年我 国累计装机容量达253GW,连续6年居世界首位。

[敏感词]能源局目标明确,积极落实保障政策。

(二)光伏产业链和N型电池的引入光电直接转化是利用半导体的光生伏特效应,当硅片受到光照的时候,电荷分布发 生变化从而产生电动势,将光子转化为电子、光能转化为电能。以硅材料的应用开 发为内容的产业链条,也就是光伏产业。

太阳能电池是典型的二端器件,由硅片、钝化膜和金属电极组成。硅片作为光伏产 业链的核心材料,质量直接影响到光电转化效率,而光伏银浆是制备太阳能电池金 属电极的关键材料。太阳能电池片生产商通过丝网印刷工艺将光伏银浆分别印刷在硅片的两面,烘干后经过烧结,形成太阳能电池的两端电极。

根据位置和功能的不同,光伏银浆分为两类:正面银浆背面银浆

光伏产业链的上游环节硅片和光伏银浆的发展与光伏行业整体发展情况息息相关,共同决定着电池片的转化效率和成本。太阳能电池有P型电池和N型电池两种,区别 在于原材料硅片和电池制备技术不同。P型硅片在硅材料中掺杂硼元素制成,N型硅 片在硅材料中掺杂磷元素制成。鉴于N型电池的优点,科学技术人员普遍认为其是下 一代的电池技术,目前主要的科技攻关是继续提高光电转化效率以及降低成本。

二、HJT掀起的光伏行业变革

(一)PERC技术接近天花板,HJT转化效率不断取得新突破

光伏行业技术快速迭代,HJT有望成为第三代技术。光伏电池片历经多次迭代:从 常规铝背板BSF电池(1代)→PERC电池(2代)→PERC+ TOPCon电池(2.5代)→HJT 电池(3代)→HBC电池(4代)等。每一次新技术迭代,光伏电池行业都会迎来新一轮的 扩产周期,进而带动代表新技术的电池设备的需求。目前电池片处于从2.5代向3代 过渡的阶段,异质结即HJT被看作PERC之后的下一代主流技术,是当前备受关注的 热点技术。电池片技术迭代的实质是性价比更优的新一代电池片取代原来的电池片,而性价比体现在转化效率和制造、使用成本。目前主要流行PERC电池,但PERC已经非常成 熟,电池片的转化效率也接近天花板,此时发展下一代的电池片技术就成为科研攻关的重中之重。HJT电池凭借较高的光电转化效率和降本潜力获得了业界的普遍关 注和持续投入,被寄希望于成为第三代的主流技术。

HJT的光电转化效率非常惊人,近年来很多企业不断取得新的突破。在2020年,迈 为、中威、钧石、东方日升均有HJT转换效率认证记录,而迈为股份利用其自主研 发的HJT异质结高效电池量产设备与SunDrive的电镀工艺,在全尺寸单晶HJT电池 上的光电转换效率达到了25.54%,创造了新的世界纪录!HJT效率不断取得新突破,但其成本却远高于PERC电池。据 CPIA,每瓦不含税成本PERC电池为0.72元,而HJT电池达到0.9元。除了生产设备, 从原料的角度,成本的差距主要体现在银浆耗量上,M6电池银浆耗量PERC电池为 正银90mg/片,而HJT的双面银浆耗量达202mg/片,双倍于PERC电池。同时,HJT 电池的硅片成本和折旧成本也略高于PERC电池,还需要耗费一定量的靶材,PERC 电池却不需要。设备成本方面,HJT设备价格虽然已经大幅下降了,但GW级的总价 目前仍是PERC的两倍以上。设备价格高,相应的机物料及备品备件的制造成本也 增加了。

综合效率和成本来看,我们认为HJT未来存在较大潜力。目前在不断突破光电转化 效率的同时,成本也在不断降低,加之政府的支持、双碳的国策和新能源未来的持 续利好,这些都会推动HJT的发展,趋势较为明确。南航沈鸿烈团队预测,2020-2023 年我国异质结电池技术发展进入快速发展阶段,国产设备逐渐成型并使得整线设备 投入降低、原材料逐渐形成一定规模使得价格下降、工艺逐步掌握与成熟,产线规 模提升至GW级别。而2023年及之后,我国异质结电池将进入成熟爆发期,在设备 厂商的协作下,设备国产化并使得产线投入大幅下降;辅材(低温银浆、靶材等) 国产化并形成规模效应,可以使非硅成本较大幅度下降,继续解决降本增效的问题。

(二)HJTVsTOPCon,N型电池龙头之争

TOPCon与HJT是新一代电池的两个不同方向,都具有优良的性能,但在诸多方面 都存在一定的差异。TOPCon与HJT同为N型电池,在HJT不断突破光电转化效率的 同时,TOPCon也取得了远高于PERC电池的转化效率,且更具有成本优势。

1.HJT制备流程简单

从制备流程看,HJT的步骤只要6步(核心步骤前4步),工业结构简单,人力成本低。清洗制绒环节对洁净度要求较高,工艺也较为复杂;非晶体硅沉积所需PECVD 设备较多,镀膜速度教低;双面PVD镀TCO膜是工艺的重点,直接决定最后的转化 效率;双面银丝印与烧结使用的是低温银浆,因其活性较低,所以用量大于高温银 浆;光再生与测试则是必备环节。HJT的产线与传统的PERC不兼容,所需投资成本 较高。而TOPCon的总步骤共计12-13步,工业结构较为复杂。TOPCon在PERC的 基础上又增加了一些步骤,总体工艺和设备较PERC差异不大,最明显的差异是 TOPCon采用了双面高温银浆,转化效率略高于PERC。

TOPCon技术与HJT技术相比的[敏感词]优势在于其与PERC电池产线的良好兼 容性,HJT 电池由于其特殊的电池结构,产线需要使用全新的设备。TOPCon 与 PERC 相比主要变动及新增三个环节设备:硼扩散,隧穿氧化和非晶硅(LPCVD 或 PECVD),去绕镀清洗。据SOLARZOOM,目前行业内 PERC 电池产能在 250GW以上,部分较新的产线都预留有 TOPCon 电池的升级空间。2.HJT转换效率高于TOPCon

传统的PERC电池转化效率已经接近天花板,但是HJT与TOPCon却在不断取得新的突破。据CPIA,2020年底,TOPCon的平均转化效率达到了23.5%,而HJT的平 均转化效率达到了23.8%,两者较2019年都有较大的提升。预计2020年以后,每年 HJT与TOPCon的平均转化效率与[敏感词]转化效率都会取得新的突破,且HJT的平均转 化效率略高于TOPCon,到2030年HJT的平均转化效率将达到25.9%,TOPCon将达 到25.7%。预计HJT的平均转化效率一直略高于TOPCon,这也是HJT的主要优势之 一。未来随着生产成本的降低及良率的提升,N型电池将会是电池技术的主要发展方 向之一。

3.HJT市场渗透率有望超越TOPCon

相对于传统的PERC,HJT与TOPCon的相对成本较高,量产的规模仍较少,CPIA预测其市场占比将会逐步提高。据CPIA,HJT与TOPCon在2020年的市场占比总和 约为3.5%,较2019年有少幅提升。但HJT与TOPCon都已经进入快速发展阶段,随 着效率和成本问题的解决,产能会不断增加,进入成熟爆发期,逐渐取代传统PERC。 CPIA预测,到2030年,HJT的市场占比将达到约32%,TOPCon的市场占比将达到 约24%,且两种电池的市场占比都处于一直上升的趋势。2026年之前,预计TOPCon 的市场占比会略高于HJT,但HJT的增长速度高于TOPCon,到2026年两种电池的 市场占比会持平,继而HJT的市场占比会高于TOPCon,逐渐成为市场主流。4.电池技术特点总结

HJT电池发展了约30年,但直到近几年转化效率才取得质的飞跃,相较而言, TOPCon的技术发展期相对较短,HJT电池与TOPCon电池各有一定的技术优势和待 攻克的技术难点。

总体来看,两种N型电池各有优势和短板,但随着科研进步,两种电池的转化效率会不断提高,成本会不断降低。短期内HJT的生产成本高于TOPCon,预计未来2-3年,将出现TOPCon与HJT两种技术路线共同发展的局面。长期来看,HJT的转化效率会提高更多,随着成本的降低,技术越来越成熟,HJT或将成为市场的主流。据全球光伏,迈为董事长周剑对异质结产能扩张和优势的预计更加乐观,预计到2022年,由于微晶的导入,异质结和TOPCon会拉开一个比较大的差距。

(三)HJT产能逐步投入,生产规模日益扩大

自2020年,国内大产能异质结产线陆续开建,生产规模也在日益扩大。目前国内已 建产能2950MW,待建产能51.95GW。预计今年年底之前将将再有5GW产线投入建 设之中,分别是华晟2GW、金刚玻璃1.2GW和爱康2GW。纵观HJT电池建设规划的 企业,除了一些老厂家,还有很多看到光伏未来需求旺盛,希望借助HJT进入光伏 赛道的新企业。随着产能的不断投入建设,今年也将是异质结降本兑现的关键之年。

三、HJT 核心辅料之低温银浆

(一)光伏银浆的原料与制备

光伏银浆是一种以银粉为主要原料的基础性材料,由高纯度的银粉、玻璃氧化物、有机材料等所组成的机械混合物的粘稠状浆料,一般分为导电银浆、电阻银浆与电熔银浆,其中90%以上用于导电,故光伏银浆又称导电银浆。光伏银浆对原料的要 求十分严格,银粉的纯度、粒度和形状,玻璃氧化物与有机原料的选择及配比都是 制备难点,各部分原料对性能有不同的影响,但是会共同影响到导电性。成本方面, 银粉占比达98.2%,玻璃氧化物与有机原料占比之和不足2%。银粉成本之高,一方 面由于金属银的价格很高,另一方面由于银粉的工艺要求很高,超过50%的全球市 场被日本DOWA所垄断,降低银粉成本也是HJT降本的关键所在。光伏银浆的主要生产流程包括:配料、混合搅拌、研磨、过滤、检测等。光伏银浆 是配方型产品,配方中任何参数变化都会影响到银浆的性能,因此[敏感词]配料是后续 环节的基础。混合搅拌保证原料充分接触,研磨则是核心工序,使浆料得到充分的 混合,进而实现浆料组织均匀、成分一致、细度达标的要求。过滤是为了控制产品 细度的范围,成品检测和返工处理则是性能的保障。

1.制作要求

目前的光伏银浆分为高温银浆和低温银浆两种,主要的区别在于工艺温度,传统的P型电池和N型TOPCon使用高温银浆,HJT只能使用低温银浆。HJT电池是在晶硅基片使用薄膜技术制作PN节、减反射层和导电层的新型电池工艺技术,其整个电池 制作前道过程的工艺温度均不超过400℃。高温银浆成型需要700℃以上的高温,若 使用高温银浆作HJT电池的正负极,会对其薄膜结构造成非常大的损伤。低温银浆 除了对成型固化温度不同于高温银浆,还有其他的要求,据摩尔光伏,低温银浆要 求:①电极成型温度低于200℃;②电极体电阻率低于10-5Ωcm;③该电极无需与硅 形成欧姆接触,但与TCO导电层的接触需足够低;④可以经受电池串焊时200-350℃ 的钎焊温度冲击,焊接拉力应大于1N/mm;⑤在长期光照条件下,保持电极体电阻 的稳定,并保证与组件封装材料间的化学稳定性。基于以上技术要求,目前HJT行业均采用树脂固化型的低温银浆制作电池的正/负电极。2.市场占比与供应情况

鉴于光伏电池中只有HJT电池使用低温银浆,HJT电池的市场占比也反映了低温银浆的占比。

相比于高温银浆,低温银浆的产能不足,垄断性较强。据摩尔光伏,低温银浆国际 市场上日本KE集团市占率超90%,KE专注开发低温银浆,特别是HJT电池使用的高 导电性低温银浆。KE的股东中有有机树脂巨头日本[敏感词]工业制药和全球银粉[敏感词]的 制造商DOWA,在原料方面优势明显,进而低温银浆性能佳。日本Nanotech、杜邦、 贺力氏、美国汉高均有开发过HJT低温银浆产品,但目前面临着产品市占比较小, 相关产品的技术特点不明朗的问题。

低温银浆被视为光伏产业链实现国产化的最后一个环节,国内市场上一些银浆巨头也在不断取得新的突破。

帝科股份:推出DK61系列低温银浆,在不断加大研发投入,积极布局HJT电池低温导电银浆产品开发与产业化。

苏州固锝:低温银浆研发取得较大进展,研发出新一代高效低量快速印刷低温银浆,通过客户端的测试结果表明,新产品在耗量降低近 30%,印刷速度快 20%的情况 下还能保持转换效率的优势。目前,该产品已经进入可靠性测试阶段。

聚和股份:据摩尔光伏,HJT低温银浆产品已经得到了多家国内HJT电池客户评估认 可,并已进入批产供货。聚和股份也在不断研发窄线宽、高速印刷、低温快速固化、 低体电阻率及低成本的HJT低温银浆新品。

3.HJT电池低温银浆消耗量变化趋势

HJT电池双面采用低温银浆,银浆的消耗量巨大、价格贵,这也是HJT成本高的原因之一。据CPIA,2020年HJT电池双面低温银浆消耗量约为223.3mg/片,同比下降 25.6%。虽然银浆消耗量依然很大,但是2020年较2019年已有较大的提升和改善。 目前正通过各种技改降低低温银浆消耗量,以降低HJT电池的生产成本,预计到2030 年HJT低温银浆消耗量将降至135mg/片,比2020年降低39.5%。四、HJT降本:非硅环节降本成为关键

硅片是HJT电池的核心材料,在HJT的成本结构中占据约45%。去除硅片成本,在非硅材料中,银浆作为核心辅料,占比约59%。HJT硅片衬底使用N型硅片,成本略 高于P型硅片,光伏行业硅片降本空间有限,寄希望于硅片薄片化。而非硅材料却有 很大的降本空间,银浆成本是非硅成本下降的重中之重。银浆成本高是由于用量大和价格高,所以降 本有两个大方向。一是减少低温银浆的用量,思路在于在不影响转化效率的前提下 减少栅线面积,具体的方法有多主栅技术(MBB)、转移印刷等。二是减少贵金属 银的使用,思路在于不影响转化效率的前提下减少银粉用量,用贱金属替代一部分 银粉,具体的方法有电镀铜和银包铜。

(一)减少银浆用量

1.主流技术:多主栅

多主栅技术(MBB)通常是指主栅线在6条及以上,主栅线数量增加且更细,可降低遮光面积并减少电阻损耗,提高电池效率,以及提升焊带区域光学利用率,进一步提升组件功率输出。随着主栅线及细栅线宽度的减少,能够显著降低银浆耗量,因此多主栅电池还具有银浆耗量低、不易隐裂等优势。多主栅电池金属化工艺及电 池片间的互联工艺是多主栅组件的技术关键。

多主栅技术的发展历程直观上表现为主栅数量的增加,在2010年之前最初的太阳能 电池以2BB为主,自2010年之后基本节奏为每2-3年技术进步一次。2010年开始, 厂家逐渐切入3BB;在2013年开始的时候,厂家逐渐由3BB切换为4BB;约2015, 厂家逐渐由4BB切换为5BB;2017,部分大厂开始纷纷推出多主栅电池片,多主栅 不久成为市场主流。

多主栅技术使用范围很广,既可以运用于传统的P型电池,也可用于N型电池。多主 栅技术升级主要体现为组件串焊机设备的更迭,对于电池设备来说变化不大,主要 需要丝印设备网版的更换调节以及分选设备的精准度提升。多主栅技术被广泛用于 HJT,将低温银浆耗量从4BB时的350mg/片降到了200-250mg/片。目前9BB、12BB已经成为金属化工艺的主流技术,有望进一步降低银浆用量。

随着多主栅技术的逐渐成熟,在其基础上,迈为联合华晟推出SMBB(Super MBB),有望将HJT银浆耗量降到120mg/片。

在多主栅的基础上,除了优化的SMBB,还发展了钧石的新型栅线设计和梅耶博格的无主栅(SMWT)技术等。以上几种技术的共同点是接触式金属化技术,都采用丝网印刷工艺,更多对于主栅和细栅的进行优化设计。而非接触金属化技术不再局限于丝网印刷工艺,通过各种创新电极制作方式实现银浆耗量、栅线形貌等进一步优化,目前虽不是主流技术,但处于研发之中。

2.新型技术:转移印刷

激光转印是一种浆料印刷技术,不仅仅针对银浆,其他浆料也可以用激光转印来实现。电池片正面有 100 多道细栅,激光转印在加工过程中无需接触电池表面,可以 降低碎片率,实现更细的细栅、降低银耗量成本、提升效率。

帝尔激光太阳能电池激光工艺设备全球市占率[敏感词],激光转印技术走在国际前沿。激光转印之 前主要是在 PERC 上进行了长时间论证,在TOPCON 上也有实验,效果明显。在 公司实验室也有 HJT 布局,都在进行研发,激光转印技术已经在客户段实验性论 证,目前在加紧进行工程化导入,期待明年能够交付给客户整线。公司高速 PTP 激 光印刷技术的研发技术拟达成激光转印技术实现更好的高宽比更细的栅线印刷,提 升太阳能电池转换效率,节省印刷浆料的耗量,满足不同尺寸 166-220mm 太阳能 电池生产需求,预计明年6月份取得成果。

迈为作为传统丝网印刷设备龙头也在积极研发转印技术,转移印刷、二次印刷和喷墨打印都在布局之中。迈为在研发一种特殊的转移印刷设备,用一种转移印刷的 方法来代替丝网印刷,能够做到更细的栅线,形貌更好。同时开发一种可以转移太 阳能电池银浆的薄膜,该薄膜由特殊材料和工艺制成,采用一种特殊的转移工艺, 并配合高精度CCD系统,可以很精准的将银浆从薄膜上转移到电池片上。

预计未来五年丝网印刷的多主栅技术仍是主流,而转移印刷也在不断取得新的成果,有望为HJT电池节省更多的银浆。(二)减少贵金属银的使用

1.电镀铜技术

HJT电镀铜技术是一种新型制备电极技术,利用电解原理在导电层表面沉积铜,主要基于种子层栅线的方法替代丝网印刷制作电极,一般使用含银的电镀液,再用铜 镀层,从而减少银浆用量,或者用铜镀层完全代替银浆,从而使成本更具有竞争力。 在银电极的工艺基础上,电镀铜通过PVD镀种子层等一系列步骤代替双面银丝印, 然后烧结形成铜电极。总体来说工艺流程比原来更加复杂,所需的设备更多。

电镀铜技术的优劣势非常明显,[敏感词]的优势便是用铜代替部分或全部的金属银,材 料成本价格低廉,且双面金属化可以同时完成。劣势在于工艺流程比传统的丝网印 刷工艺更长,需要更多的设备成本及人力成本,且高温下铜容易氧化,化学性质不 易控制,电镀液中有很多有害化学物质,处理麻烦导致环保成本较高,随着环保政 策的加紧,电镀项目的审批将更加困难。效率方面,SunDrive的电镀工艺与迈为的 设备合作,在全尺寸单晶HJT电池上的光电转换效率达到了25.54%,创造了新的世 界纪录。综合来看,较其他技术,电镀铜目前的竞争力不大。

2.银包铜技术

以上的降本技术是对于金属化工艺的优化升级,对于银浆材料本身的降本优化也意义非凡。银浆材料优化后,与金属化工艺相叠加,可以实现银浆成本的进一步降低, 从而实现HJT的持续降本。银浆材料降本一方面在于实现生产的规模化和国产化, 帝科股份、苏州固锝及聚和股份等国内银浆巨头都在积极扩大生产规模;另一方面 在于材料成分优化,降低材料成本,研发新型浆料,银包铜是这方面的代表技术。

银粉在低温银浆的总成本中占比超过98%,所以低温银浆降本的关键点在于降低银粉耗用量。DOWA的铜粉生产技术有一定的优势,无机涂层、有机涂层和薄片处理 可满足各种需求,铜粉主要用于多层陶瓷电容器的外部电极应用,但铜作为银的替 代材料越来越受业内关注,DOWA也在其银粉与铜粉的基础上,积极研发银包铜粉,用于替代银粉实现降本,KE与DOWA的银包铜技术处于国际前沿。

铜具有良好的导电性和导热性,且价格低廉,与银相比,具有巨大的价格优势,但 是铜最主要的缺点是化学性质不够稳定,抗氧化能力差,尤其是在潮湿、高温的环 境,不能满足光伏浆料的要求。开发银包铜超细粉体的目的是替代银粉:既能满足光伏浆料的要求,有具有巨大的价格竞争优势。银包铜降本的本质在于将银浆中的一部分银用贱金属铜替代,用银覆盖铜,通过实验不断调整银与铜的掺杂比例以提高光电转化效率,在保证一定效率的同时降低银浆成本。银包铜粉是在超细铜粉产品的基础上制备的,超细铜粉的品质优劣会直接影响到最终银包铜的性能。技术参数方面,银包铜粉的电阻与密度均介于银粉与铜粉之间,且电阻随着压力的增大而减小,而银包铜粉的比表面积高于银粉和铜粉。银包铜粉的粒径从2微米到4 微米不等,银包铜粒径形状有球形和片状。据SMM,铜颗粒的形态对包覆产生重要 影响,包覆颗粒越纳米化、原子化排列,包覆层越致密化,可提供更高的耐温性。 包覆层越细密化,颗粒越接近铜的颜色,以此可判断包覆质量。且烧结温度越高, 包覆层需要越厚,即需要银含量越高。银包铜在传统的PERC高温工艺中容易氧化失效,HJT的低温工艺可以抑制铜的氧化,因此银包铜有很大的潜力在HJT中得到推广应用。

综合以上的HJT降本技术看,在降低银浆耗量方面,我们认为多主栅技术和转移印刷技术有较好的应用前景,国产设备也在不断取得优化突破;在减少贵金属银的使用方面,我们认为银包铜技术前景广阔,较容易实现量产。

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