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产业化加速 HIT正酝酿着突破

  北极星太阳能光伏网讯:P-PERC等技术变革带来的红利推动了度电成本的显著下降与行业的一轮大发展,当前,光伏产业正处在新一轮技术大发展的前夜,其中,高效电池与大硅片可能是未来几年最有希望获得突破的方向,其在众多高效电池技术路线中,HIT具有一些突出的物理特性和优势。近几年,国内外部分企业开始HIT电池的商业化尝试与推广,当前的主要矛盾是PECVD等核心装备的可用性,再之后可能是继续提高效率与耗材降本。综合产业端的现状,我们认为HIT电池产业化在加速,并且可能正在酝酿着突破。

  1.光伏行业处于新一轮技术大发展的前夜:高效电池与大硅片的可能是光伏行业未来几年最有希望获得突破的重要方向。在电池片领域,N型电池是目前业内最认可的技术路线,N型电池最主要的两个方向为HIT和TOPCon,HIT由于其优势显著且降本路径比较清晰,有可能成为下一代的主流技术。

  2.HIT具有优秀的物理特性与一定优势:HIT一般采用N型路线,具备更高效、衰减低、温度系数好、双面率高等突出优势。目前全球最高效率是日本钟渊创造的26.7%,国内最高已经可以做到25.11%。现有产线%,未来效率继续提升空间较大。HIT主要劣势是造价高,目前主要应用在一些BOS成本较高的市场。按照现有BOM和BOS成本水平,1%的效率优势可以带来0.08-0.10元/瓦的溢价,随着其效率提升与成本下降,HIT应用市场会不断扩大。

  3.产业化在加速,突破可能在酝酿中:当前,全球HIT产能约3GW,其中,REC在2019年投运了600MW商业化项目,国内一批企业也开始商业化前的尝试与导入,估算规划产能超过20GW,并且2020年Q2-3将有一批标杆项目投运。装备方面,过去两年主要装备企业在转化效率等方面获得较大进展,国内相关装备上市公司也多将HIT作为重点投入方向。设备端清洗制绒、PVD/RPD、丝网印刷都已突破,唯一的难点在于PECVD,海内外众多企业都在集中攻关以提高PECVD的节拍、稳定性、均匀性,并降低设备价格,明年可能会有较大突破。除PECVD等核心设备外,低温银浆、靶材研发也有较大的突破与进展。

  4.投资建议:继续推荐隆基股份、通威股份,推荐东方日升、山煤国际(招商煤炭),设备环节推荐金辰股份、捷佳伟创(机械联合)、迈为股份(机械联合),辅材关注苏州固锝。

  将P型半导体和N型半导体结合在一起时,在其交界面形成的空间电荷区称为PN结,PN结具有单向导电性和反向击穿效应,是半导体器件和光伏电池的主要结构单元。根据PN结内部结构的不同,分为同质结和异质结。HIT电池是由晶硅衬底和非晶硅薄膜构成,因此称为异质结电池。

  异质结电池最早由日本三洋于1990年研发成功,HIT这个称谓由三洋提出,并被注册为商标,后来进入异质结领域的企业为了避免专利纠纷而采用了不同称谓,比如HJT、SHJ、HDT等,其含义是一样的,并不意味着技术分支。

  异质结电池一般是以 N型硅片为衬底,在正面依次本征富氢非晶硅薄膜和N型非晶硅薄膜,然后在背面依次沉积本征非晶硅薄膜和P型非晶硅薄膜。在非晶硅薄膜两侧再沉积80-100nm的透明导电氧化物薄膜 TCO,最后通过丝网印刷在两侧制备金属电极,再烧结退火,这样就制成了异质结电池。

  传统异质结电池以P层为入光面,近年来业内普遍改为N型作入光面,在电池结构上形成TCO-N-i-N-i-P-TCO对称结构。

  根据隆基官网的N型和P型产品说明书,P型硅片少子寿命大于50微秒,而N型硅片少子寿命大于1000微秒,相差20倍。

  在P型半导体中,空穴是主要载流子,简称多子,电子是少数载流子,简称少子。在N型半导体中,电子是主要载流子,简称多子,空穴是少数载流子,简称少子。硅片中Cu、Au以及硼氧对等杂质对电子的俘获能力远远大于对空穴的俘获能力。N型硅片中,少子是空穴,更难被俘获,因此少子寿命更高。

  异质结电池生产只有四大环节,依次是清洗制绒、非晶硅沉积、TCO沉积、丝印烧结,相较于PERC和TOPCON工序大幅缩短。

  2)制备非晶硅薄膜:硅片在PECVD设备中制做钝化膜和PN结。HIT的高效率根源于本征非晶硅薄膜优良的钝化效果。晶硅表面存在大量的悬挂键,光照激发的少数载流子到达表面后容易被悬挂键俘获而复合,降低电池效率。通过在硅片两侧沉积富氢的本征非晶硅薄膜,可以将悬挂键氢化,有效降低界面态缺陷,显著提高少子寿命,增加开路电压,进而提高电池效率。

  每一层膜的厚度只有4-10nm,但每1-2nm实现的功能不一样,制备工艺也不一样,因此本征和掺杂非晶硅薄膜需要在多个腔体中完成,PECVD中要导入多腔室沉积系统。

  3)沉积金属氧化物导电层:硅片沉积完非晶硅薄膜之后就进入PVD或RPD设备,沉积透明金属氧化物导电膜TCO。TCO纵向收集载流子并向电极传输。非晶硅层晶体呈长程无序结构,电子与空穴迁移率较低,横向导电性较差,不利于光生载流子的收集,因此需要在正面掺杂层上方沉积一层75-80nm厚的TCO,用于纵向收集载流子并向电极传输。TCO可以减少阳光反射。

  TCO膜在可见光范围内(波长380-760nm)具有80%以上的穿透率,且电阻很低,其成分主要为In、Sb、Zn、Sn、Cd及其氧化物的复合体。目前应用最广泛的是ITO、SCOT、IWO、AZO。

  4)丝印烧结:异质结电池生产最后一步是丝印烧结,制备金属电极并烧结固化。HIT是低温工艺,因此需要使用低温银浆和低温退火工艺。HIT电池双面都使用低温银浆,不区分正银和背银,价格较高,且消耗量较高,因此业内有部分企业尝试使用镀铜工艺来制作电极。镀铜工艺不使用银浆,因此成本低廉,但其工艺复杂,且废液排放存在严重的环保制约,因此并未成为主流。

  电池效率=开路电压*短路电流*填充因子。HIT高转化效率源于高开路电压,HIT开路电压可以接近750mv,而PERC电池普遍低于700mv。HIT的高开路电压源于两点:

  光生载流子可以贯穿氢化非晶硅薄膜,因此不需要激光开膜制作金属电极和硅片之间的欧姆接触(接触面有大量悬挂键,容易产生复合)。

  根据美国国家可再生能源中心公布的技术进展图,目前HIT研发效率世界纪录是26.7%,由日本钟渊化学创造。国内异质结电池最高纪录是汉能在今年11月公布的25.11%,使用M2硅片和常规设备,这也是全球8寸片HIT电池最高效率。由于MBB技术和光致再生技术的导入,目前HIT的研发效率普遍已经超过24%。

  REC新加坡600MW项目效率已经达到24.3%,其他企业普遍在23.5%-24%。随着HIT产业不断壮大,研发投入增多,电池效率有望继续提升:

  明年国内投产的HIT产线%,未来还可以跟IBC结合做HBC电池或者跟钙钛矿结合做叠层电池,叠层效率预计28%起步。

  组件的温度系数衡量输出功率随组件温度升高而下降的程度。阳光照射下组件表面不断升温,电池的开路电压不断下降,进而导致输出功率下降。HIT相较于其他类型电池,具备非常显著的低温度系数。

  HIT电池双面率较高。HIT电池正反面三层膜和TCO都是透光的,且结构对称,天然就是双面电池,其双面率可以轻松做到90%以上,甚至达到98%的水平。PERC电池双面率可以做到80-85%。HIT电池对等效功率的增益比PERC电池高10W左右,正好两个档位,可以溢价1.5分/瓦。

  HIT电池的高效率、低衰减、低温度系数、高双面率最终都会体现到电池价格上。根据我们的大致测算,HIT可能具有的溢价包括:

  以上测算是基于比较中性的发电条件,粗算在目前的技术格局下其溢价有可能保持在0.39元/瓦(24%HIT VS 22.5%PERC),在BOS成本越高,温度越高,电价越高,利用小时越高的地区,HIT的溢价会更高。

  根据PVInfoLink最新调研数据,23%效率的HIT电池售价1.7元/瓦,21.9%效率的PERC电池售价0.94元/瓦,溢价0.64元/瓦。当前HIT产销量还比较小,不足2GW,主要应用于欧美日等户用等高端市场,其BOS成本和电价都较高,因此在有限安装面积下追求发电量的最大化,对HIT的溢价承受能力更强。

  HIT设备价格已经下降到7-8亿/GW。HIT电池每个生产步骤对应一种专用设备,依次是清洗制绒机、PECVD、PVD或RPD、丝印烧结,其中壁垒最高的是PECVD,其价值量占到全部设备的60%。当前投产的HIT产线PECVD以进口为主,GW设备投资在7-8亿元,国产化突破之后将大幅下降。

  设备国产化不断取得突破,PECVD仍是难点。清洗制绒、PVD、丝网印刷国内都已经突破,当前难点主要在PECVD。国内钧石、理想已经有PECVD供货能力,但节拍还需提升。迈为研发进展较快,和通威建有中试线,设备在不断调试和改进,明年可能会有比较大的突破。捷佳伟创正在积极研发,预计明年Q1会完成样机交付,金辰股份也在积极布局,预计明年下半年会有样机交付。

  大通量PECVD海外已经研制成功。目前梅耶博格MB和美国应材AM对外出售的PECVD节拍都只有2400片/小时,对应100MW产能,1GW产线台PECVD,仅PECVD投资就达到4.5亿元。值得注意的是,梅耶博格和应材均已研制成功6000片大通量设备,至少证明大通量设备在工艺上是可行的。当前MB和AM均在和国内部分电池厂洽谈出售大通量PECVD,但预计价格依旧较贵。

  降低PECVD成本仍需国产取得突破。国内迈为、捷佳、金辰等PECVD研制厂商均以6000片为基础目标,若能突破,每GW产线的PECVD价格将下降到2.5亿元以下,放量之后有望下降到1.5亿元以下。PECVD的制造成本中90%是原材料,主要是不锈钢和铝型材制品以及各种仪表,制造费用本身并不高,当前1GW设备投资约7亿元,明年国产设备若能突破,预计单GW投资将下降到5亿元,放量之后预计将下降到3.5亿元以下,带动设备相关成本可以从0.09元/瓦下降到0.04元/瓦。

  硅片的厚度取决于硅片生产工艺和电池加工温度。当前使用金刚线切割工艺的硅片最薄可以做到120微米,再薄成本不降反升。异质结技术产业化后,国内硅片厂完全有能力供应120+微米厚度的N型硅片。但当前组件工艺还比较粗糙,将来硅片变薄需要组件端的制造工艺更加精细化。

  当前PERC电池的生产工艺中最高温度可达900℃,硅片厚度普遍在180-190微米,使用更薄的硅片在高温下容易出现翘曲。异质结电池整个生产过程中温度控制在250℃以内,可以使用更薄的硅片。

  当前180微米的M2型硅片单片耗硅量在15克左右,如果厚度能够降到120微米,耗硅量可以降到11.5克,按照75元/千克的硅料价格计算,M2硅片硅料成本可以从当前1元/片降低到0.76元/片,按照24%的电池转换效率计算,降低电池环节成本4分/瓦。

  N型硅片在同等厚度下比P型硅片成本高大约5%,主要是N型硅片对硅料品质要求高一些,每千克N型硅料比P型贵3-5元。但N型硅片变薄后,出片率可以显著提升,单片成本可以做到比P型更低。

  低温银浆国产化基本成功。HIT电池是低温工艺,低温银浆的固化温度要求不超过200℃,技术难度高于高温银浆。海外供应商主要是杜邦、贺利氏、京都电子,国内常州聚和、苏州晶银已经突破。

  银浆成本:约4000元/千克,高温银浆和低温银浆成本差别很小,90%成本是银粉。

  降低银浆消耗量。如导入梅耶博格的智能串焊技术,银浆耗量可以做到100mg以下。此外,当前低温银浆为了保导电性,栅线%,未来可以通过添加剂的改进,进一步做细栅线;降低银浆价格。银浆的主要成本是银粉,加工费用仅数百元/千克,当前需求量较小,因此报价显著高于高温银浆,如求放量,低温银浆价格继续降低。

  靶材国产化也已完成,静待需求放量。HIT第二大耗材是靶材,国内先导、映日等企业ITO产品已经非常成熟,SCOT正在积极研发,IWO壹纳已经实现国产。三种靶材的核心成分都是氧化铟,质量占比在90%以上。金属铟价格在1100元/千克左右波动,金属铟经过煅烧制成粉末,再和氧化锡或者氧化钨粉末按照一定比例混合,压块高温烧结制成靶材,生产工艺的难点在于高温烧结,加工成本仅400-1000元/千克。

  需求放量将带动靶材价格下行,靶材成本预计将下降到3-4分/瓦。目前靶材成本约0.32元/片,对应5分/瓦,未来靶材价格下降和靶材利用率提高,成本有1-2分/瓦的下降空间。此外靶材品质提升对电池效率的增益也在不断进步。

  效率端:单瓦成本=成本总额/功率,前面4项是做低分子,效率提升做高分母。明年量产HIT效率大概率突破24%,往后每年预计提升0.5%。

  HIT降本路径如果能实现,综合成本有望大幅下降。2019年HIT电池不含税完全成本为1元/瓦,这是理论测算值,由于工艺不稳定,现有中试线产能负荷较低,实际成本更高。

  同时,2019年PERC龙头厂商通威、爱旭完全成本已经下降到0.83元/瓦。我们估算,如果HIT的核心装备如PECVD国产化成功,后续降本空间会逐步打开,等装备、辅材产业也成熟后,其绝对成本有潜力也是比较低的。

  1)成本降低不及预期:目前异质结电池的生产成本仍相对较高,未来有望通过硅片薄片化、浆料用量减少、设备国产化等降低成本,如果成本降低不及预期,将对异质结电池产业化带来一定影响。

  2)量产效率提升不及预期:目前异质结电池的量产效率在23.5%以上,效率优势是异质结电池的最大优势。未来如果异质结效率提升不及预期,将会减弱其与其他技术路线的竞争优势。

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  本文统计了9月至今日发布的共计2.85GW光伏电站EPC以及1.9GW组件开标信息。其中,EPC项目业主单位以国企/央企为主,这也从侧面反映出,在竞价及平价项目中,国有企业已经成为绝对的主力。具体来说,中广核603MW、广州发展410MW、中节能345MW、晋能集团220MW,中民投200MW、湖北能源集团190MW、华能180MW

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