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降损提效马不停蹄,多技术并行或将开启

分类: 行业动态 发布时间:2022-11-10

首个光伏电池诞生至今已有近 70 年历史,到 2019 年,单晶 PERC 电池成为光 伏行业的主流技术,其良好的光电转换效率表现成为推动太阳能发电与传统能源 “平价”的关键因素。不过目前业内 PERC 电池量产效率已经普遍超过 23%, 越来越接近 24.5%左右的其理论极限,而实验室记录也已经较长时间未再有突破。因此产业界都已纷纷将重点投向对新一代主流电池技术的开发,各大龙头企 业的新一代电池技术也将陆续在年内相继亮相市场,路线不尽相同。

 主流的高效 PERC 电池运用了多种表面钝化手段。产业化生产方法已经相当成熟。N 型 TOPCon 和 HJT 为近年来最受关注的新兴高效电池技术代表,此前产业化的主要问题在于成本过高,经济性不足,但随着技术的不断进步,目前已开始步入成熟阶段。今年以来,组件端一体化龙头企业已陆续对前者启动大规模的投产 和扩产行动,标志着 N 型技术电池进入规模化量产“元年”,而后者的规模量产也在加速推进。

 TOPCon 电池为钝化接触技术新兴代表,与现有产线兼容性较高。TOPCon 电池理论效率上限高,提出时间较短,但发展迅速根据选择性接触理论的研究推算, 双面钝化结构的 TOPCon 电池的最高理论转换效率可达到 28.7%,接近晶硅电池的上限,也略为高出 HJT 电池的 28.5%,而 PERC 电池仅为 24.5%,即便是仅进行背面钝化, TOPCon 电池的理论效率也可以达到 27.1%。从实验室研发情况来看,近年来业内领先企业和知名研究机构都已能很好地将 TOPCon 电池效率开发到 25%以上,今年以来,天合、晶科接连刷新大面积电池记录,目前已经能达到 25.7%,而在相对容易达到更高效率的小面积电池方面, 德国 ISE 在 2019 年已突破了 26.0%的水平。

 TOPCon 与 PERC 电池在结构方面一定的相似性也带来了设备和工艺上的相容性。前者的正面与后者的背面膜层及金属化方式一致,两面最外侧也都是氮化硅减反钝化层,前道的清洗制绒工艺也相同。产线方面的兼容性成为 TOPCon 电池在产业化推广时的一项重要优势,特别是在当前行业里存量 PERC产能大量存在的情况下,只需对产线进行升级即可,投入也比新建产线小不少,因此原有企业也更有动力在技术上进行投入和突破。

TOPCon 电池的优势和潜力近年来吸引了大量企业进行产业化研发投入,目前总体由行业内的原有资深企业主导,但也有部分新兴企业大力投入,并持续取得重要突破。 目前来看,业内领先企业的研发效率均已能达到 25%以上,量产线效率也基本突破 24.5%。产能方面,根据我们统计目前行业里已经在建和筹建中的新产能有大约 183GW, 也已有龙头企业已建成超 10GW 的大规模量产线,其他企业也在快速推进,预计随技术的不断成熟、终端经济性的体现,新规模化产能的建设还将加速,包括部分已有新电池扩产计划,但尚未决定具体技术路线的企业,以及拥有大量待升级存量 PERC 产能的企业,都有望快速跟进。

 晶科能源作为全球四大组件一体化龙头之一,于去年 11月推出使用 N 型 TOPCon 电池的组件产品 Tiger Neo,公司近年间在 TOPCon 技术上的投入相对笃定,并快速取得突破,多次打破转化效率世界纪录,今年 4 月以 25.7%的效 率再次刷新纪录,量产线效率也达到 24.5%以上。 在规模化产能建设方面,晶科目前已经拥有16GW 的 TOPCon 的产能,正在建设和筹备的新产能预计达 19GW,大步走在行业之前。公司 2019 年就已建立了 900MW 中试线,去年开始建设海宁尖山和安徽合肥两大生产基地,一期项目各 8GW,均在 Q1 时投产,目前已满产,同时公司于 6月底启动了尖山 11GW 二 期项目,合肥的二期电池项目也已经在筹备中。在市场推广方面,今年以来晶科 TOPCon 组件已经至少 7 次中标央国企组件招标项目,成为 N 型电池元年的先行者.

  天合光能早在 2015 年就已经开始了 TOPCon 电池的研发, 2019 年就发布了采用此电池技术的组件产品 i-TOPCon,后中试线规模达 500MW。今年 3 月,天合国家重点实验室宣布其 210 大尺寸 TOPCon 电池最高 效率达到 25.5%,创造了新的大尺寸世界纪录,量产线效率也在 24.5%以上。规 模化产能方面,天合于今年 4 月启动了宿迁 8GW TOPCon 电池项目,预计年内 实现投产,而 6 月新开工的西宁产业园中规划有 10GW 的 N 型电池产能,在全 行业推广顺利的情况下较大可能继续采用 TOPCon 路线。  

  晶澳科技在 5 月发布了 DeepBlue 4.0 X 组件,采用名为“Bycium+ 倍秀”的 TOPCon 电池,量产效率可达到 24.8%以上。实际上,公司在 2020 年 时TOPCon电池的效率已能接近24%。规模化产能方面,而宁晋1.3GW TOPCon 电池产能预计将在近期实现投产,到年底左右预计公司将拥有 6.5GW 产能。此 外,公司分别在 5、6 月分别公布了曲靖和扬州两个 10GW 新电池项目。

 电池龙头通威股份 4 月初也公布了 32GW 高效晶硅电池新项目,将分两期建设,尚未明确技术,由于公司在 TOPCon、HJT 等新电池领域都有不少 投入,若 TOPCon 技术产业化推广顺利,则可能会有较大比例选择这种技术路 线,而公司的存量电池产线也有望批量化进行改造。

 此外,中来股份为组件背板行业龙头,2019 年公司开始大力对新型电池及组件业 务进行研发布局,选定 TOPCon 技术路线,当年便实现量产效率 23.5%,当前 自主研发的 TOPCon2.0 电池量产转换效率也可达到 24.5%,采用创新性的 POPAID 工艺路线,目前已累计出货 5GW 的 TOPCon 组件产品。产能方面,公 司目前已经建成约 7.6GW,其中泰州基地共有 3.6GW 的产能,同时山西 16GW 电池项目处于持续建设中,一期 8GW 中的 4GW 已于今年 6 月底投产。 (2)一道新能源于 2018 成立,为发展迅速的新兴电池组件企业代表。公司在 创立之初便以N型技术作为布局核心,目前TOPCon电池实验效率可达25.5%, 量产效率也超过 24.6%。公司 2019 年已建成 1.2GW 的 TOPCon 产能,到 2021 证券研究报告 请务必阅读正文后免责条款部分 27 年底达到 6GW,按规划预计 2022/23 年底将达到 20/30GW。近期,公司 N 型 组件中标央企华能集团项目,已正式签约,并向市场推出“DAON”品牌 3 个系 列高效 N 型组件新品。

 从经济性和市场推广角度来分析,TOPCon 电池的制造成本目前仍高于 PERC, 主要在于设备成本、浆料银耗等方面,但差距已相对不大,在主要的新电池技术中最为领先。

 HJT 电池可以拥有很高的转化效率,主要与其结合两种不同特性的材料和良好的表面钝化效果有关:1HJT 电池较大的效率潜力吸引了国内外诸多机构进行研究突破,从近年的实验 室研发结果来看,大面积的电池转化效率都已能比较轻易的突破 25%,开路电 压已普遍接近或超过 750mV,今年隆基更是将最高记录刷新至 26.5%HJT 电池另一个优势在于较突出的发电量增益效果,

主要体现在:

1)温度系数 明显低于其他主要电池技术,即高温下发电能力更强,原因在于较高的开路电压, 

2)双面发电能力突出,主要在于其天然对称的电池结构,

3)弱光响应能力强, 主要系其结合了薄膜电池的特点,非晶硅材料对弱光的吸收效应强制造成本偏高问题尚在解决,设备、银耗、硅片和靶材为重点突破方向。

综合来看,目前全行业已有的 HJT 产能预计已突破 10GW,但单一公司产能体 量都还不大,在建和规划的产能也达到了约 190GW,但其中实际在建且稳定推 进的项目相对有限,若年内多方面技术能稳步实现突破,让成本问题得到解决, 预计行业产能的快速扩张将会很快形成。

 另一方面,如果在电池结构上进行创新,着眼于光学损失的降低,即使沿用 PERC 电池的相关钝化技术,也能够带来较好的转化效率的突破,其中最典型的一类就 是将所有电极都转移至背光面的背接触(BC)电池,实际上也为 P 型电池下一 步发展带来可能性。IBC(叉指式背接触电池)电池是最具代表性的一种背接触电池,最早于 1975 年 提出,后主要由美国 SunPower 公司实现商业化突破。IBC 电池的核心特点在于前表面无金属栅线,可以全面积无遮挡地吸收太阳光, 因此正面转化效率能达到很高的值,这是通过将发射极放到电池背面区域,形成 间隔排列的带状区域来实现的,同时正负细栅电极在背面也就呈现出交叉分布的 状态。另一方面,由于栅线都在背面,就能通过更大的宽度或密度来降低串联电 阻,进一步提效。当前来看,商业化的 IBC 电池效率已可以达到 25%。 此外,对于 PN 结在背面的电池,还存在一个重要优势,即衬底硅片更容易减薄, 这与载流子收集率有关,目前 IBC 电池使用的硅片厚度约在 130μm 左右。 

 BC 电池独特的结构较大程度增加了制作难度,也导致生产成本居高不下,关键 就是如何在背表面制作出间隔排列的 p 型与 n 型掺杂区域,并在上面形成金属 化接触和栅线。 

 以 IBC 为代表的背接触电池正好契合了分布式光伏的差异化特点。一方面,极 强的单面发电能力和高电池封装密度可以在有限的面积和组件数量下发出更多 的电,另一方面,正面无栅线的特点也更符合美学特征,并能更好地融入到建筑 设计之中。分布式市场发展蓬勃、空间广阔,为背接触电池的推广提供了良好的条件。近年 来,全球分布式光伏市场发展相对迅速,根据 IEA 数据,屋顶光伏年新增装机占 比已从 2018 年不足 35%提升到 2021 年接近 45%的水平,意味着分布式光伏已 达到总体市场一半左右的水平。今国内方面,分布式光伏增长势头同样强劲,去年在整体装机中的占比历史上首次 超过了集中式,今年以来一直持续,上半年则超过 60%,这主要系分布式系统造 价更低,在当前硅料供应不足导致价格高企的情况下,对组件价格接受度相对较 高,不过长期来看分布式确已成为与集中式并驾齐驱的主要市场。自主进行研究的国内企业方面:1)天合光能,2011 年时便与海外学术机构 联合研发 IBC 电池,2014 年以 24.4%的转换效率创下世界纪录,2018 年自主 研发的大面积 N 型 IBC 电池成为国内首个经第三方权威认证效率超过 25%的电 池,2)国电投黄河水电,从 2016 年开始设立 200MW 的 IBC 产线,当年转换 效率达到 18.3%,今年 2 月公布 IBC 电池量产效率突破 24.1%,3)爱旭股份, 于去年 6 月 SNEC 推出最新研发的 ABC 电池,采用的就是正面无栅线的背接触 结构,量产转换效率可达到 25.5%,并推进 300MW 中试线,今年 6 月发布四款 使用 ABC 电池的组件,而珠海 6.5GW N 型新世代电池也预计将在下半年投产, 4)晶澳科技在 2019 年的 SNEC 也展出过 IBC 电池产品,此外海润光伏早期也 曾在 IBC 电池领域有所建树。

 值得一提的是,一体化组件龙头隆基绿能今年以来多次表示将推出针对分布式应用市场的新产品,结合此前分析,有较大可能也为类似 IBC 的背接触电池。预计 随国内外企业,特别是龙头公司的持续研发推动下,背接触电池有望进一步迈向 更广阔的大众市场。IBC 电池若与 HJT 电池中非晶硅钝化层结合可以形成 HBC 电池,这样可以同时 发挥 BC 电池完全利用正面光线和 HJT 电池高开路电压的优势;若与 TOPCon 电池中的隧穿/多晶钝化层结合则能会成为 TBC 电池(或称 POLO-IBC)。以上两类电池的实验室转化效率皆已突破 26%,其中日本 Kaneka 公司 2017 年开发 出效率为 26.63%的大面积 HBC 电池,成为目前晶硅太阳能电池研发效率的最高水平。 

 从产业化的角度分析,虽然多技术的叠加带来了转换效率的提升,但成本也会相 应大幅增加,例如需要同时用到多种技术路线的设备,工艺流程也将变得更加繁琐复杂,而在 IBC 和 HJT 本身制作成本就高出主流 PERC 电池很多的情况下, 问题会更加突出。因此预计只有当各独立技术路线本身已具备经济性,可以成熟 产业化时,HBC 和 TBC 电池才有望达到量产条件。

 最后,从更长远来看,多种技术的叠加可能是光伏电池迈向更高转化效率水平的 根本方法,其中备受瞩目的一个重要方向就是晶硅电池技术与钙钛矿电池技术的结合,二者可以形成上下两层甚至多层的叠层电池,更大程度的利用太阳光谱现 29%以上的转化效率。主流 PERC 电池的效率瓶颈已越发明显,以 TOPCon、BC 为代表的新一代规模 化量产技术也在年内展现出良好势头,预期将带来转换效率的又一次跨越,在经济性持续增强下产业化有望加速实现。电池技术的顺利升级有望加速光伏对传统能源的替代,进一步打开产业整体的成长空间。