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市場研究

光伏激光設備行業專題研究:激光在光伏中的運用

來源:廣發證券,2022-05-27 我要評論(0 )   

一、激光技術助力高端製造,光伏行業(ye) 效用凸顯(一)激光加工優(you) 勢明顯,應用場景日趨廣泛激光是一種純色、準直、高亮、同向、高能量密度的光子隊列。激光技術起源於(yu) 20 世...

一、激光技術助力高端製造,光伏行業(ye) 效用凸顯

(一)激光加工優(you) 勢明顯,應用場景日趨廣泛

激光是一種純色、準直、高亮、同向、高能量密度的光子隊列。激光技術起源於(yu) 20 世紀60年代,與(yu) 原子能、半導體(ti) 、計算機並稱20世紀新四大發明,享有“最快的刀”、 “最準的尺”、“最亮的光”等美譽,廣泛應用於(yu) 材料加工與(yu) 光刻、通信與(yu) 光存儲(chu) 、 科研與(yu) 軍(jun) 事、儀(yi) 器與(yu) 傳(chuan) 感器等領域。

激光產(chan) 生於(yu) 激光器,激光器由增益介質、泵浦源、光學諧振腔組成。根據海目星招 股說明書(shu) ,增益介質是光子產(chan) 生的源泉,通過吸收泵浦源產(chan) 生的能量,使增益介質 從(cong) 基態躍遷到激發態。由於(yu) 激發態為(wei) 不穩定狀態,此時,增益介質將釋放能量回歸 到基態這一穩態。在此釋能過程中,增益介質產(chan) 生出光子,且這些光子在能量、波 長、方向上具有高度一致性,它們(men) 在光學諧振腔中不斷反射,往複運動,最終通過 半反射鏡射出激光器,形成激光束。這一形成原理使得激光具有極好的方向性、亮 度、單色性和相幹性,能做到將光束限製在幾個(ge) 毫弧度立體(ti) 角內(nei) ,使能量高度集中。

激光加工技術優(you) 勢明顯,下遊應用場景廣泛。得益於(yu) 激光出色的特性,激光加工技 術具備非接觸式加工、熱影響區小、不受電磁幹擾、便於(yu) 自動化控製、幾乎可應用 於(yu) 任何材料、精確細致、一致程度高、高速便捷等明顯優(you) 勢。在材料加工與(yu) 光刻這 一主要應用領域,激光加工技術便具備切割、焊接、鑽孔、打標、雕刻、熱處理、 快速成型、塗覆等多種應用方式,下遊應用場景廣泛,充分助力製造業(ye) 向“光製造” 穩步邁進。

(二)光伏主旋律降本增效,激光加工契合行業(ye) 發展需求

“531新政”出台,降本增效成為(wei) 光伏行業(ye) 主旋律。2018年5月31日,發改委、財政 部和能源局聯合發布《關(guan) 於(yu) 2018年光伏發電有關(guan) 事項的通知》,要求控製需要國家 補貼的普通光伏電站建設規模,推動光伏發電補貼退坡。行業(ye) 補貼退坡的提前到來 對光伏組件廠商和光伏電站的競爭(zheng) 力提出了更高要求,促使光伏製造企業(ye) 產(chan) 能升級, 加快新技術的研發和運用,從(cong) 而提高光伏電池轉換效率,降低發電成本。

激光加工契合光伏行業(ye) 發展需求。光伏行業(ye) 降本增效的主旋律下,各光伏製造企業(ye) 對製造加工的要求越發提升,傳(chuan) 統的機械加工手段在精度、加工效率、可靠性、適 用範圍等諸多方麵開始難以適應新的生產(chan) 要求,而激光加工在以上方麵均表現出色、 優(you) 勢顯著。疊加激光精細化發展趨勢,超快激光不斷迭代升級,其憑借超短持續時 間和超強峰值功率,快速開拓材料超精細、低損傷(shang) 和空間3D加工處理的新領域,適 配PERC、TOPCon、HJT等高效電池技術,與(yu) 光伏行業(ye) 生產(chan) 需求契合度進一步提升。 同時,激光加工的高柔性非常適合自動化、智能化生產(chan) ,兩(liang) 相結合下不僅(jin) 能提高生 產(chan) 質量,帶來光伏電池轉換效率的一定提升、更逼近理論極限,而且能減少人工成 本、節約生產(chan) 空間、優(you) 化生產(chan) 布局,促進規模化生產(chan) 下成本降低。

受光伏行業(ye) 青睞,各工藝環節持續滲透。在PERC時代,激光設備已經在效率提升 和成本節約上起到重要作用。激光加工技術目前主要應用於(yu) 消融、切割、刻邊、摻 雜、打孔等環節,主要的工藝內(nei) 容包括MWT激光打孔,SE激光摻雜、激光擴硼, PERC激光消融,LID/R激光修複以及激光劃片/裂片等重要作用。

二、專(zhuan) 用激光加工技術:PERC 時代充分應用,新技術路徑有望延續

(一)PERC 仍為(wei) 行業(ye) 絕對主力,N 型新技術引領未來

理論上,發電量=年平均太陽輻射總量x電池總麵積x光電轉換效率,假定太陽輻射保 持不變,光電轉換效率的提升將帶來需求電池麵積的下降,促進降本增效。目前 PERC電池憑借成熟技術和較低成本,成為(wei) 行業(ye) 絕對主力,市場占比高達91.2%, 2021年新建量產(chan) 產(chan) 線也以其為(wei) 主。但是,PERC電池轉換效率(目前23%左右)正 逐漸逼近24%的理論極限,未來提升空間有限。而以TOPCon、IBC、HJT為(wei) 代表的 N型電池轉換效率更高,目前量產(chan) 轉換效率在24.0-24.5%左右,理論極限分別可達 28.5%/28.7%。隨著未來生產(chan) 上量和工藝突破,成本下行下有望逐步取代PERC電池 成為(wei) 行業(ye) 下一代主流技術。

(二)PERC:激光開槽設備居核心地位,可疊加 SE 摻雜等多項技術

PERC相比常規光伏電池主要在背麵進行工藝改進。PERC電池全稱為(wei) 鈍化發射極和 背麵電池,其電池結構從(cong) 常規鋁背場電池BSF改進而來。根據《PERC電池專(zhuan) 刊》, 常規BSF電池由於(yu) 背表麵金屬鋁膜層中的複合速度無法降至200cm/s以下,導致到達 鋁背層的紅外輻射光隻有60-70%能被反射回去,極大程度限製了轉換效率提升。 PERC通過在電池背麵附上介質鈍化層,阻止載流子在如電池表麵與(yu) 金屬電極的接 觸處等一些高複合區域的複合行為(wei) ,實現電損失減少;同時可以增強電池下表麵光 反射,減少光損失,從(cong) 而帶來約1pct的轉換效率提升。此外,SE摻雜、MWT、LID/R 等多項技術可疊加運用於(yu) PERC電池,進一步提升其光電轉換效率。

激光開槽:PERC生產(chan) 核心技術,對應激光開槽設備

PERC電池生產(chan) 工藝主要新增沉積背麵鈍化層、開槽形成背麵接觸兩(liang) 項。PERC電池 與(yu) BSF電池最大的區別在於(yu) 電池背麵用全表麵介質膜鈍化和局域金屬接觸方式取代 全鋁背場電極,其餘(yu) 較為(wei) 相似。因此PERC電池生產(chan) 上和常規生產(chan) 流程同質性高、 較容易實施,主要需要在邊緣隔離工序稍作優(you) 化,並新增沉積背麵鈍化層、開槽形 成背麵接觸兩(liang) 項工序。沉積背麵鈍化層工序段需新增如PECVD、ALD等背麵鈍化處 理設備,而開槽形成背麵接觸工序段需新增開槽設備。

激光開槽為(wei) 最優(you) 解決(jue) 方案,化解PERC生產(chan) 技術難點。根據帝爾激光招股說明書(shu) , 背麵電極透過鈍化層實現微納級高精度的局部接觸是PERC生產(chan) 主要技術難點。加 工過程中,需要保證對鈍化膜精密刻蝕的同時,不能損傷(shang) 到矽襯底材料,否則會(hui) 導 致電池轉換效率受損。目前產(chan) 業(ye) 內(nei) 主要有光刻、噴墨打印、激光開槽三種解決(jue) 方案。 其中,光刻多用於(yu) 實驗室製備,但其工藝複雜、成本偏高、汙染嚴(yan) 重的特點限製了 大規模產(chan) 業(ye) 化應用的可能;噴墨打印技術需要先製備掩膜再腐蝕掉介質層,合計三 個(ge) 工藝步驟,亦較為(wei) 複雜。而激光開槽采用高峰值功率激光燒蝕介質層,僅(jin) 需一步 就能形成背麵電極和矽片的接觸窗口,大大降低了生產(chan) 工藝的複雜性和成本,為(wei) 最 優(you) 解決(jue) 方案。同時,隨著矽片厚度不斷減薄,激光開槽具備的非接觸式加工、精度 良率高、加工速度快等特點在規模化生產(chan) 中優(you) 勢越發明顯。

對應激光開槽設備,行業(ye) 應用廣泛。憑借顯著的技術優(you) 勢,激光開槽設備在光伏行 業(ye) 內(nei) 大範圍普及,設備非常成熟,基本為(wei) PERC產(chan) 線標準配置。

SE激光摻雜:PERC標配工藝,助推轉換效率提升

熱擴散製備P-N結麵臨(lin) 在減少載流子複合和實現良好歐姆接觸間如何選擇的矛盾。 光伏電池發電本質在於(yu) 形成P-N結,為(wei) 進行製備首先需要對矽片表麵進行磷或硼摻雜, 對應形成N+/P+發射極後,和基底矽片共同形成電池P-N結。目前主流生產(chan) 工藝為(wei) 熱 擴散法,對應擴散爐設備。但是,由於(yu) 擴散爐擴散的N+(擴磷)或P+(擴硼)發射 極為(wei) 均勻摻雜,隻能在輕、重兩(liang) 種程度中二選一。若選擇輕摻雜,可以減小少數載 流子複合,提升短路電流,但會(hui) 增大發射極和柵線電極的接觸電阻。若選擇重摻雜, 可以減少發射極和柵線電極的接觸電阻,但會(hui) 增加少數載流子複合,也會(hui) 影響效率。

SE摻雜技術可有效解決(jue) 輕重摻雜選擇矛盾。SE摻雜全稱為(wei) 發射極選擇性摻雜,通過 在光伏電池電極柵線與(yu) 矽片接觸部位區域進行高濃度磷摻雜,從(cong) 而降低電極和矽片 之間的接觸電阻;並在電極以外區域進行低濃度淺摻雜,降低表麵複合速率,從(cong) 而 有效實現電池的開壓、電流和填充因子改善。SE摻雜技術兼顧輕重摻雜兩(liang) 者的優(you) 點, 有效提高了光電轉換效率。

產(chan) 業(ye) 內(nei) 實現SE摻雜主要有兩(liang) 步擴散法、光刻掩膜法、絲(si) 網印刷電極和激光摻雜法這 四種解決(jue) 方案。兩(liang) 步擴散法:先對整個(ge) 發射區輕擴散,再對電極區重擴散,新增較 多工藝步驟和設備,經濟性較差,同時二次重擴散會(hui) 帶來雜質二次分布,增加非電 極區的表麵複合,從(cong) 而降低電池轉換效率。光刻掩膜法:本質也是兩(liang) 步擴散法的一 種,先對電極區進行重磷擴散,再進行第二次輕擴散,需引入光刻技術,導致生產(chan) 成本進一步增加。絲(si) 網印刷電極:一次擴散即可達到選擇性摻雜效果,工藝相對簡 化,但局部印刷磷漿會(hui) 導致表麵擴散不均勻,增加表麵複合,從(cong) 而降低轉換效率。

激光摻雜法為(wei) 最優(you) 解決(jue) 方案,成為(wei) PERC標配提效工藝。激光摻雜法以擴散產(chan) 生的 磷矽玻璃層為(wei) 摻雜源,利用激光可選擇性加熱特性,在光伏電池正表麵電極區域形 成選擇性重摻雜的N++重摻雜區域。相比前三種解決(jue) 方案,PERC中SE激光摻雜僅(jin) 增加激光掃描一個(ge) 工序,無需經過多次高溫擴散和掩膜工藝就可以形成選擇性發射 極結構,具備提效明顯、工藝流程簡單、投入成本低、設備緊湊、占地麵積小、無 汙染、與(yu) 傳(chuan) 統光伏電池生產(chan) 線兼容性強等特點,成為(wei) 行業(ye) 主流解決(jue) 方案。對應激光 摻雜設備,目前成熟度較高,新建PERC產(chan) 線均有配備。(報告來源:未來智庫)

MWT激光打孔:利於(yu) PERC轉換效率提升,產(chan) 業(ye) 化應用較少

MWT激光開孔技術可用於(yu) PERC電池,提升光電轉換效率約0.4%。MWT全稱為(wei) 金 屬穿孔卷繞技術,采用激光打孔、背麵布線的技術消除正麵電極的主柵線,正麵電 極細柵線搜集的電流通過孔洞中的銀漿引到背麵。此設計下,光伏電池的正負電極 點都分布在電池片背麵,有效減少了正麵柵線的遮光,提高光電轉換效率,同時能 降低銀漿消耗量和金屬電極-發射極界麵的載流子複合損失,具備降本增效的功能。

MWT製造工藝中激光打孔為(wei) 核心步驟。為(wei) 較好實施MWT技術,需選擇穩定性最佳 的激光器,性價(jia) 比最佳的波長,調整恰如其分的功率、頻率、脈寬和光束質量等參 數,從(cong) 而對矽片、銅箔和封裝材料做到精準激光打孔,實現產(chan) 品質量和生產(chan) 效率的 權衡。對應CO2激光打孔設備、微孔UV激光打孔設備等,由於(yu) 對激光技術要求較為(wei) 嚴(yan) 格且需要玻璃、背板等廠商進行產(chan) 業(ye) 鏈協同,因此實施難度較大,目前產(chan) 業(ye) 化進 程較慢。

LID/R激光修複:降低光致衰減率,提升PERC使用壽命

LID效應為(wei) PERC最大痛點。根據晶澳科技《背鈍化電池光致衰減研究》,LID效應 即光致衰減效應,作用機理為(wei) 光照導致摻硼P型矽片體(ti) 內(nei) B-O複合對形成,捕獲少數 載流子降低體(ti) 壽命,B和O含量越高,LID效應越嚴(yan) 重。而PERC電池采取的背鈍化 技術雖然大幅降低表麵複合速度,帶動電池效率提升,卻也導致受體(ti) 壽命影響占比 增大,使LID帶來的體(ti) 壽命降低對電池效率產(chan) 生更大負麵影響。根據隆基樂(le) 葉《PERC 電池LID/LeTID原理與(yu) 控製》,PERC電池初始光致衰減率增大到了5%以上,很大 程度影響其使用壽命。

LID/R激光修複可降低光致衰減率,因實現難度大導致產(chan) 業(ye) 化應用較少。根據帝爾激 光招股說明書(shu) ,LID/R工藝通過超高功率光照射電池片,產(chan) 生大量光生載流子來改變 體(ti) 內(nei) 氫的價(jia) 態,快速實現硼氧結構由高活性複合體(ti) 轉變為(wei) 低活性再生態,以實現降 低光致衰減率。其中,激光因高光強、方向性好、能量轉換效率高等特性在LID/R工 藝中有較好應用效果。但產(chan) 業(ye) 化量產(chan) 中,LID/R激光修複需有快速精準的激光自動化 溫控係統及商業(ye) 電池麵積尺寸的均勻光照能量覆蓋,實現難度較大,導致產(chan) 業(ye) 化應 用範圍有限。

(三)TOPCon:激光硼摻雜為(wei) 重要工藝,未來發展空間廣闊

TOPCon產(chan) 線可基於(yu) PERC產(chan) 線改建,N型新技術中成熟度最高。TOPCon電池全稱 為(wei) 隧穿氧化層鈍化接觸電池,其主要技術特征為(wei) 在N型矽襯底背麵增加一層超薄隧穿 氧化層,再沉積一層高摻雜多晶矽薄層,最後在其上沉積一層金屬作為(wei) 電極,三者 共同形成無需開孔的鈍化接觸結構。其中,高摻雜多晶矽薄層和N型矽襯底接觸會(hui) 形 成一種特殊能帶結構,使N型矽襯底能帶向下彎曲,降低電子傳(chuan) 輸勢壘,因此超薄氧 化層可允許多子電子隧穿而阻擋少子空穴透過,使電子和空穴分離、減少複合,提 高電池的開路電壓和短路電流,從(cong) 而實現電池效率提升。工藝上,主要將磷擴散替 換為(wei) 硼擴散,新增隧穿氧化層製備、離子注入、退火、單麵多晶矽刻蝕四道工序, 減少激光開槽一道工序。根據賽瑞達微信公眾(zhong) 號,從(cong) PERC電池轉向TOPCon電池, 70%左右的產(chan) 線可以兼容,設備投資額較小。

硼摻雜為(wei) TOPCon重要工藝,激光摻雜法維持最優(you) 解決(jue) 方案。TOPCon相比PERC, 從(cong) 磷摻雜替換為(wei) 了硼摻雜。根據隆基樂(le) 葉專(zhuan) 利,硼在矽材料中的擴散係數較小,且 硼比磷的激活難度更高,導致硼摻雜工藝難度更大。目前產(chan) 業(ye) 內(nei) 主要有掩膜刻蝕二 次擴散法、絲(si) 網印刷法和激光摻雜法三種解決(jue) 方案,均在SE磷摻雜基礎上對應改進 以匹配硼摻雜工藝。其中,掩膜刻蝕二次擴散法新增步驟和設備較多,導致經濟性 較差;絲(si) 網印刷法相較前者更為(wei) 簡便,但由於(yu) 印刷掩膜層對準精度不夠,也較少使 用;激光摻雜法依然是硼摻雜環節最優(you) 解決(jue) 方案,但相較磷摻雜複雜度提升。

激光硼摻雜主要分為(wei) 兩(liang) 種產(chan) 業(ye) 化路徑。(1)一次激光摻雜、兩(liang) 次擴散+清洗:根據 天合光能CN110299422A發明專(zhuan) 利,工藝步驟主要為(wei) 首先對N型矽片進行清洗製絨, 隨後進行硼擴散,推進形成高硼表麵濃度的P++層,不進行氧化過程。之後采用激 光對柵線區域進行摻雜推進,並清洗。由於(yu) 激光較高能量會(hui) 損傷(shang) 矽襯底,因此需要 放回擴散爐進行氧化形成選擇性發射極,結束後清洗去除背麵的BSG和P+層。該產(chan) 業(ye) 化路徑下,雖然激光摻雜僅(jin) 使用一次,但需進行兩(liang) 次擴散+清洗,導致相應設備投 資額增加,抬升生產(chan) 成本。

(2)一次擴散、一次激光摻雜:根據正泰太陽能CN112670353A發明專(zhuan) 利,工藝步 驟主要為(wei) 在N型矽片清洗製絨後以擴散方式製備硼摻雜P-N結,隨後在正表麵柵線對 應位置處印刷硼漿並烘幹,采用激光對硼漿區域進行激光摻雜。最後進行清洗,去 除硼漿、BSG及PSG等。該產(chan) 業(ye) 化路徑即市場普遍認知的一次激光摻雜法,相較前 一種路徑減少一次擴散+清洗,生產(chan) 工藝得到簡化,設備投資額偏低。但該路徑技術 難度大,對公司技術實力要求較高。 目前一次激光摻雜、兩(liang) 次擴散+清洗效果良好、技術成熟,業(ye) 界正逐步發力研發一次 擴散、一次激光摻雜,進展迅速。對應激光硼摻雜設備有望持續迭代升級,打開市 場空間。

(四)IBC:轉換效率領跑,激光開槽助力降本

IBC轉換效率領跑N型新技術,工藝複雜掣肘產(chan) 業(ye) 化進度。IBC電池全稱為(wei) 全背電極 接觸晶矽光伏電池,最大特點是將P-N結和金屬接觸都置於(yu) 電池背麵,使麵朝太陽的 電池片正麵呈全黑色,無柵線遮擋,增加電池片有效發電麵積,有利於(yu) 發電效率提 升。同時,其背麵可以容納較寬的金屬柵線以降低串聯電阻從(cong) 而提高填充因子FF, 疊加電池前表麵場以及良好鈍化用途帶來的開路電壓增益,使IBC電池擁有了高轉換 效率。根據CPIA,2021年IBC電池轉換效率已達24.1%,且在2025年有望實現25.3% 的高目標,光電轉換效率領跑N型新技術。目前阻礙IBC大規模產(chan) 業(ye) 化運用的主要原 因是其生產(chan) 工藝相對複雜、設備投資成本偏高,導致生產(chan) 成本居高不下。

激光開槽替代傳(chuan) 統光刻掩膜法,助力IBC電池降本。IBC電池核心生產(chan) 環節為(wei) 在電池 背麵製備呈叉指狀間隔排列的P+區和N+區,以及在其上麵分別形成金屬化接觸和柵線。背麵傳(chuan) 統生產(chan) 工藝為(wei) 光刻掩膜法製結,成本較高,不適合大規模生產(chan) ,目前產(chan) 業(ye) 內(nei) 提出采用激光開槽技術進行替代。激光開槽技術的基本過程是采用高強度脈衝(chong) 激光將電池表麵按設定的區域整體(ti) 挖低,在被挖掉的區域和沒有被挖掉的區域之間 通過陡峭的側(ce) 壁進行分離,接著用化學腐蝕液去除激光造成的損傷(shang) 部分,解決(jue) 了全 背電極製作過程中如何將同時位於(yu) 後表麵的正負電極有效分開的難題。該技術助力 IBC生產(chan) 工藝大幅簡化,實現高效降本。

(五)HJT:LIA 可提升轉換效率,有望隨 HJT 滲透打開市場

HJT生產(chan) 工藝大幅簡化,激光設備仍有一席之地。HJT全稱為(wei) 本征薄膜異質結電池, 是一種利用晶體(ti) 矽基板和非晶矽薄膜製成的混合型光伏電池。根據《高效太陽電池 技術及其核心裝備國產(chan) 化進展》,HJT電池結構由N型單晶襯底、光照側(ce) P型氫化非 晶矽層、背麵側(ce) N型氫化非晶矽層以及兩(liang) 側(ce) 透明電極和集電極構成,其對稱結構可以 獲得較低表麵複合速度,進而提升光電轉換效率。生產(chan) 工藝上,HJT核心工藝主要 分為(wei) 清洗製絨、非晶矽沉積、TCO膜製備、絲(si) 網印刷四步,相比PERC大幅簡化。 其產(chan) 線與(yu) 原PERC產(chan) 線兼容度低,對原PERC激光設備需求較小,但新增LIA鈍化設 備和HJT匹配度高,激光設備仍可在產(chan) 線內(nei) 具備一席之地。

激光LIA技術助力HJT轉換效率提升。根據帝爾激光官網,LIA即光誘導退火。作用 機理為(wei) HJT電池中α-Si:H/c-Si界麵存在大量界麵態(Si懸掛鍵),在光照的情況下對此結構進行加熱退火,可有效減少界麵態(Si懸掛鍵)密度,降低界麵複合,從(cong) 而提高非晶矽鈍化效果,主要表現為(wei) Voc和FF提高,帶動光電轉換效率提升。目前 產(chan) 業(ye) 中常用激光加工實現LIA,即通過超高功率激光照射HJT電池片,產(chan) 生大量光生 載流子改變α-Si:H中氫的價(jia) 態,使α-Si:H/c-Si界麵複合降低,能提升HJT電池的 Voc,並能改善TCO層導電性能,降低Ag/TCO的接觸電阻,從(cong) 而提高HJT電池的FF。

激光LIA技術優(you) 勢顯著,對應LIA鈍化設備成長空間較大。根據帝爾激光公開調研紀 要,激光LIA技術除了可以提升HJT轉換效率,還可以降低暗衰減,提升HJT使用壽 命。並且對比其他鈍化技術,激光LIA修複可保持穩定,而其他技術的效率提升會(hui) 隨 時間回落,技術優(you) 勢顯著。對應LIA鈍化設備已有成熟產(chan) 品推向市場,有望隨HJT滲 透逐步打開市場空間。

三、通用激光加工技術:促進光伏電池降本增效

(一)激光轉印:降本增效明顯,未來價(jia) 值量有望提升,成長空間廣闊

N型電池目前仍麵臨(lin) 成本高、技術不完全成熟等問題,激光設備及技術創新協助降 本空間廣闊。盡管N型技術路線具備效率高,潛力大等諸多優(you) 勢,但是成本較高仍然 是行業(ye) 核心痛點。TOPCON和HJT的單瓦成本分別比PERC高13%和33%;TOPCON 和HJT的單瓦非矽成本較PERC高32%和88%。其中由於(yu) N型電池雙麵上漿,其漿料 和靶材成本顯著高於(yu) PERC。

激光轉印在降低銀漿耗量,提高轉換效率角度優(you) 勢顯著,有望成為(wei) 下一代主流技術 及激光設備。電池金屬化是光伏晶矽電池的必須工藝步驟,光伏行業(ye) 目前最大的技 術變革是從(cong) P型轉向N型電池,其中金屬化技術也對應變化。根據帝爾激光2021年12 月29日投資者關(guan) 係記錄表披露,目前綜合幾種技術來看,激光轉印的優(you) 勢非常明顯, 有望成為(wei) 主流技術之一。

激光轉印主要通過更細柵線實現降本增效。激光轉印相較傳(chuan) 統絲(si) 網印刷主要優(you) 勢在 於(yu) :(1)激光轉印柵線更細,現可做到18微米以下漿料節省30%,在PERC上已得 到論證,在TOPCON、HJT等路線上的節省量有望更高;(2)印刷高度一致性、均 勻性優(you) 良,誤差在2μm,低溫銀漿也同樣適用;(3) 可以改變柔性膜的槽型,根 據不同的電池結構,來實現即定的柵線形狀,改善電性能;(4)激光轉印為(wei) 非接觸 式印刷,可以避免擠壓式印刷存在的隱裂、破片、汙染、劃傷(shang) 等問題。同時,未來 矽片薄片化趨勢,薄片化會(hui) 帶來更多隱裂問題,激光轉印由可以有效解決(jue) 類似問題。

激光轉印技術有望明顯降低銀漿耗量,大幅節約漿料成本。根據帝爾激光2021年12 月28日公告的投資者溝通材料,現在PERC電池的銀漿耗量約15mg/w,TOPCon略 高為(wei) 10-20mg/w,HJT為(wei) 25-30mg/w,幾乎是PERC的兩(liang) 倍。由於(yu) N型電池的柵線更寬, 疊加雙麵用漿的特性,因此銀漿節約量會(hui) 較PERC更大。根據公司2021年12月29日 投資者關(guan) 係活動材料,公司已經可以做到18微米以下漿料節省30%,在PERC上已 經得到論證,在TOPCon、HJT等路線上的節省量會(hui) 更高。

激光轉印具備通過縮短柵線的寬度,降低柵線遮光麵積從(cong) 而提高光電轉換效率的可 能。根據《Finger metallization Using Pattern Transfer PrintingTechnology for c-Si Solar Cell》論文中顯示,激光轉印的1-4組較絲(si) 網印刷相比,柵線寬度均有明顯下 降。在保持柵線數量相同的組1-2中,試驗轉換效率的最優(you) 記錄與(yu) 平均值均比絲(si) 網印 刷有所提高,平均提高0.07%-0.09%。而柵線寬度更細,柵線數量更多的組3-組4轉 換效率相對則更低,核心原因是更細的柵線增加了串聯電阻,從(cong) 而影響了填充因子 和轉換效率。因此,根據試驗結果,激光轉印具備通過降低柵線寬度提升轉換效率 的可能,但是也會(hui) 因為(wei) 過細的柵線提高串聯電阻,從(cong) 而影響轉換效率,核心在於(yu) 對 柵線寬度、數量的合理把握。

目前進展:激光轉印技術在IBC和TOPCON中已有量產(chan) 整線樣機計劃。目前激光轉 印在傳(chuan) 統PERC路線上已得到效果論證,在IBC和TOPCON兩(liang) 大技術路線中處於(yu) 已交 付工藝樣機驗證並已有2家頭部客戶有交付量產(chan) 線樣機計劃,距離產(chan) 業(ye) 化又邁進一步。 在HJT路線上仍處於(yu) 研發階段。激光轉印技術作為(wei) 行業(ye) 顛覆性技術,未來有望率先 在IBC和TOPCON兩(liang) 大技術路線中率先實現量產(chan) 。

激光轉印的強功效、銀漿的有效節約決(jue) 定其有望擁有較高價(jia) 值量。考慮到激光轉印 技術較傳(chuan) 統絲(si) 網印刷優(you) 勢顯著,未來有望替代絲(si) 網印刷成為(wei) 主流的印刷技術。從(cong) 價(jia) 值量角度,PERC路線下絲(si) 網印刷設備的單GW價(jia) 值量大約在2000萬(wan) 左右,IBC和HJT 由於(yu) 絲(si) 網印刷工藝難度更大,單GW價(jia) 值量更高,約為(wei) 3000萬(wan) /4000萬(wan) 左右。考慮到 激光轉印無論是在銀漿節約還是轉換效率上均顯著優(you) 於(yu) 傳(chuan) 統絲(si) 網印刷,且前期技術 研發投入巨大,因此我們(men) 判斷激光轉印的單位價(jia) 值量有望略高於(yu) 傳(chuan) 統絲(si) 網印刷設備。

謹慎假設下,激光轉印設備的價(jia) 值量仍較傳(chuan) 統消融和摻雜環節提升明顯。由於(yu) 激光 轉印技術尚無量產(chan) 訂單,因此暫無官方定價(jia) 參考。並且考慮到前期技術替代風險和 廠商接受度的不確定性,我們(men) 謹慎假設激光轉印設備的價(jia) 值量與(yu) 絲(si) 網印刷一致—— 即 在 PERC/IBC/HJT 三 種 路 線 下 , 保 守 預 計 激 光 轉 印 單 GW 價(jia) 值 量 分 別 為(wei) 2000/3000/4000萬(wan) ,則相較於(yu) 傳(chuan) 統激光消融與(yu) 硼摻雜設備(約1000萬(wan) /GW價(jia) 值量) 有數倍的價(jia) 值量提升。從(cong) 激光設備占總設備投資比例角度看,激光轉印設備價(jia) 值占 比在10%-14.3%之間,也顯著高於(yu) PERC時代約7%的占比。(報告來源:未來智庫)

(二)無損激光劃裂:適配高效組件技術,提升組件輸出功率

光伏發電最終目標在於(yu) 降低LCOE,組件端亦可明顯增益。目前,產(chan) 業(ye) 內(nei) 主要有雙 麵/雙玻、半片、疊瓦、多主柵等高效光伏組件技術,可在既有電池效率下,在組件 封裝環節提升組件輸出功率或增加其全生命周期中單瓦發電量,從(cong) 而降低LCOE。其 中,半片和疊瓦技術鋒芒漸露。

(1)半片組件:半片組件是指將電池對切後串聯起來的技術,因電池片麵積減小一 半,電流降為(wei) 原來1/2,串聯電阻引起的內(nei) 部損耗降低為(wei) 整片電池的1/4,進而提升 組件功率。因高效光伏電池輸出電流更高,組件封裝損耗大於(yu) 常規電池,將半片技 術應用於(yu) 高效光伏電池後增益效果也更加明顯。

(2)疊瓦組件:疊瓦組件是指將太陽能電池在優(you) 化柵線設計後切成多個(ge) 小片,然後 將每小片以類似導電膠的方式疊加串聯,通過串並聯的方式做成組件,令電池間的 縫隙降到最低,因此在同樣的單位麵積中可以鋪設更多電池,增加組件輸出功率。

激光劃裂為(wei) 核心生產(chan) 工藝,無損技術逐步成熟。目前,光伏行業(ye) 常規劃裂技術為(wei) 激 光燒蝕配合機械掰片。雖然激光加工本身的顯著優(you) 勢已經大幅度降低對光伏電池的 損傷(shang) ,但由於(yu) 采用機械掰片這一外界力,仍會(hui) 導致掰片後光伏電池的切割道出現明 顯毛刺。而半片和疊瓦組件工藝流程均從(cong) 激光劃裂開端,劃裂的成果好壞直接影響 著組件輸出功率,常規劃裂技術不再適用,新型無損激光劃裂技術應需而生。根據 《全自動太陽電池無損傷(shang) 激光劃裂機的設計》,無損激光劃裂核心原理為(wei) 利用激光 熱應力控製材料斷裂。首先在光伏電池邊緣加工1個(ge) 超小槽口,然後使用激光進行局 部快速加熱,形成激光光斑,同時利用設備配套的冷卻裝置對進行局部冷卻,不均 勻溫度場誘發熱應力產(chan) 生,使光伏電池發生斷裂;斷裂會(hui) 隨著激光照射及後續冷卻 的移動軌跡從(cong) 最初的超小槽口開始穩定擴張,最終完成對光伏電池的切割。

無損激光劃裂優(you) 勢顯著,有望成為(wei) 行業(ye) 新一代主流技術。無損激光劃裂技術具備截 斷麵幹淨、不存在損傷(shang) 點、加工產(chan) 生的矽粉塵數量少、抗彎強度保持不變等特點, 解決(jue) 了常規激光劃裂造成的電池片損傷(shang) 問題,能將切片前後電池性能損失降到最小, 助推組件輸出功率提升。對應無損激光劃裂設備,帝爾激光、海目星、奧特維等多 家公司已推出成熟產(chan) 品,隨著半片、疊瓦等高效光伏組件技術市場份額持續提升, 相關(guan) 設備有望持續放量。

四、光伏激光設備行業(ye) 空間測算:受益技術進步和價(jia) 值量提升,行業(ye) 空間廣闊

光伏設備行業(ye) 空間估算:總體(ti) 來看,光伏激光設備的市場空間,主要受到上 遊電池片產(chan) 能擴張速度、不同技術路徑擴產(chan) 結構、單GW投資額、相應技術的應用滲 透率四大核心因素影響。 全球新增光伏裝機量:預計2025年達到300GW,21-25年CAGR為(wei) 15.3%。我們(men) 主 要依據CPIA官方預測的樂(le) 觀、保守兩(liang) 種情形平均值作為(wei) 我們(men) 對於(yu) 全球新增光伏裝機 量的核心假設。

全球電池片產(chan) 能:預計2025年達到700GW,21-25年CAGR為(wei) 15.3%。全球電池片 產(chan) 能除了與(yu) 新增光伏裝機量相關(guan) ,還與(yu) 容配比、產(chan) 能利用率有關(guan) 。對於(yu) 容配比,由 於(yu) 2020年10月23日國家能源局發布的《光伏發電係統效能規範》(以下簡稱《規範》) 中規定,容配比從(cong) 過去的1:1正式解禁,一類地區最佳容配比約在1.2左右,二類地 區在1.4左右,三類地區最高可達1.8,因此我們(men) 假設未來全國平均容配比在1.4左右。 對於(yu) 產(chan) 能利用率,我們(men) 認為(wei) 技術變化加劇會(hui) 加速淘汰落後產(chan) 能,導致產(chan) 能利用率的 回落,從(cong) 2018-2020年全球電池產(chan) 能利用率下行中已經有所體(ti) 現,因此我們(men) 預計產(chan) 能利用率穩定在60%左右。

技術路徑假設:預計未來幾年的擴產(chan) 技術路徑主要以TOPCon/HJT/IBC為(wei) 主,PERC 技術路線顯著減少。我們(men) 的假設主要依據CPIA在《2021光伏技術路線圖》中預計 2030年幾種技術路徑存量占比,HJT(約占36.7%)/TOPCON(約占32.2%)/IBC (約占5%)將領先,因此未來擴產(chan) 的主要技術路線將為(wei) 幾種具備顯著效率優(you) 勢的新 技術路線為(wei) 主。 單GW設備投資額:投資額角度HJT>IBC≈TOPCON>PERC,且保守預計每年同比下降10%。根據CPIA,以及隆基等光伏龍頭企業(ye) 擴產(chan) 公告,我們(men) 預計不同技術路線 的投資金額,整體(ti) 來看新技術的單GW投資由於(yu) 技術難度大,電池效率高等因素,投 資額相較PERC更大。

設備滲透率:根據前文第三章第一節分析,由於(yu) 激光轉印技術較傳(chuan) 統絲(si) 網印刷優(you) 勢 顯著,能幫助客戶大幅優(you) 化銀漿耗用,從(cong) 而節約生產(chan) 成本、提 高轉換效率,我們(men) 認為(wei) 激光轉印設備的行業(ye) 滲透率有望逐步提升。參考此前激光設 備在PERC時代作為(wei) 新技術,最終成為(wei) 行業(ye) 主流的技術路徑,滲透率終值較高。預 計2025年激光轉印設備滲透率在TOPCon/HJT/IBC滲透率在保守/樂(le) 觀情形下分別 達到40%/60%。由於(yu) PERC技術路線銀漿耗用較小,預計PERC技術路線下激光轉 印滲透率較其他路線更低,預計2025年設備滲透率在保守/樂(le) 觀情形下分別達到 30%/40%。

其他光伏激光設備行業(ye) 空間測算:2025年其他光伏激光設備行業(ye) 體(ti) 量保守/樂(le) 觀 情形下,分別有望達到18.8/24.3億(yi) 元,21-25年CAGR分別達到22.3%/33.1%。 與(yu) 激光轉印不同,傳(chuan) 統光伏設備價(jia) 值量相對更低;雖然激光設備在新工藝的應 用有一定變化,但較激光轉印來說研發難度更小,客戶接受度更高,因此我們(men) 假設新技術的滲透率初始值也比激光轉印更高,且新的激光設備也需要經曆滲 透率逐步提升的過程。

從(cong) 滲透率角度,根據前文分析,PERC時代中主流的激光技術路徑,在TOPCon、 HJT、IBC新技術路徑下延續性較強,且帝爾激光在部分技術路徑中已經取得批 量訂單/中試訂單。 因此假設其他光伏激光設備的設備滲透率起始值和終值略高於(yu) 激光轉印。具體(ti) 來看,在TOPCon路線下,我們(men) 預計2025年其他光伏激光設備的滲透率在保守/ 樂(le) 觀情形下有望達到40%/70%;在HJT和IBC技術路線下,我們(men) 預計2025年其 他光伏激光設備的滲透率在保守/樂(le) 觀情形下有望達到60%/70%。而PERC技術 路徑非常成熟,滲透率繼續保持高位。

結合激光轉印與(yu) 其他激光設備應用,我們(men) 認為(wei) 光伏激光設備合計規模在2025年 保 守 / 樂(le) 觀 情 形 下 有 望 達 到 44.2/70.9 億(yi) 元, 21-25 年 CAGR 分別達到 31.3%/47.7%。2025年,保守和樂(le) 觀情形下,激光設備占總設備投入的比例分 別達到9.6%/15.4%,較2021年的占比7.2%明顯提升,主要原因為(wei) 激光設備在 光伏電池片生產(chan) 領域功能和重要性不斷提高,光伏激光設備單GW價(jia) 值量的提升、 以及各項技術使用滲透率提高。

未來行業(ye) 規模仍較大程度受新技術變化影響,存在一定的風險和不確定性。盡 管激光設備在光伏領域的應用前景良好,使用的範圍和環節逐步增加的趨勢相 對確定;但是具體(ti) 到行業(ye) 規模量化角度,我們(men) 認為(wei) 技術研發到成熟應用過程中 的不確定性較高,設備價(jia) 值量和滲透率兩(liang) 大核心指標仍待持續觀測和調整。



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