光伏行业竞争最激烈的莫过于光伏电池。电池领域不仅受到上游价格压力和下游需求的制约,还面临着技术迭代的持续压力。
技术迭代的不断演绎,共同铺就了中国光伏电池的崛起之路。谈谈光伏电池的发展与演变。
光伏电池的技术演进
光伏产业可分为硅材料、硅片、电池片、组件和光伏系统,其中硅材料和硅片是产业的上游,光伏电池和光伏组件是产业的中游,下游是发电系统。更多有用信息,请参见全球十大太阳能组件制造商。
作为光伏产业第一大国,中国如何降本增效?光伏发电的成本约等于光伏电站的成本,其中光伏电池是决定发电效率和成本的关键部件。因此,要想降本增效,就必须从光伏电池入手,不断提升光伏电池的研发水平。其升级方向大致分为两种:一种是吸收更多的太阳光,另一种是尽可能地将光能转化为电能。
光伏电池从技术路线上主要分为晶体硅电池和薄膜电池,其中晶体硅光伏电池占据目前市场的绝对主流。晶体硅电池按衬底材料分类,可分为P型电池和N型电池。P型电池是指以P型硅片为衬底的电池,N型电池是指以N型硅片为衬底的电池。P型硅片制造工艺简单、成本低,而N型硅片通常寿命较长、电池效率较高,但工艺较为复杂。
这主要是因为 N型硅片掺杂磷元素,磷与硅的相容性差,容易分布不均。而P型硅片掺杂硼元素,硼和硅的偏析系数相当,分散均匀性容易控制,成本较低。因此,目前光伏行业的主流产品是P型硅片,相应的P型电池也较多。
P型电池
典型的P型电池包括BSF电池、PERC电池、PERC+电池等
在这些类别中,它们出现的时间不同,市场对它们的评价也不同。早期的光伏发电技术以BSF电池为主,随后PERC电池技术开始取代BSF技术。之后,PERC电池技术经过优化,形成了PERC+技术。
BSF电池
在晶体硅光伏电池PN结上制作BSF电池后,通过在硅片背光表面沉积铝膜制备P+层,从而形成铝背电场。铝作为背电场有很多优点,如降低表面顺应率、增加对长波长的吸收等,但铝背场电池的光电转换效率也有一定的局限性。在工艺上,BSF电池的制备要经过清洗制绒、扩散结、蚀刻去磷硅酸盐玻璃、PECVD、丝网印刷、烧结、检测分选等环节。BSF电池的工艺是光伏电池片制备的一般工艺,后续的升级都是在此工艺的基础上进行的。
PERC电池
PERC电池是在传统BSF电池的基础上,增加了背面钝化和激光启动两道工艺,性能得到了显著提高。相应的应用核心设备包括清洗机、制绒机、扩散炉、激光烧蚀机、刻蚀机、PECVD、丝网印刷设备、烧结炉、测试分选机等。如果增加背面抛光工序,还需要水槽清洗机。
N型电池
虽然PERC电池是目前的主流,但N型电池的光电转换效率更高。尽管技术难度较高,但为了降低成本、提高效率,各公司都在加速研发。N型电池包括IBC电池、HJT电池、HBC电池和TOPcon电池。
其中,TOPcon和HJT是主要技术路线,已经开始扩大生产。而IBC和HBC还处于试验验证阶段,被称为 “未来技术”。
TOPcon电池
TOPCon电池结构可实现电池表面的完美钝化。它使用了超薄氧化层,还掺杂了薄膜硅,这两种技术都能提高效率。最终,其理论极限转换效率可达26.6%。与PERC电池相比,TOPCon工艺增加了两个环节,即硼的扩散和接触钝化层的沉积。
其中一个主要环节是LPCVD氧化沉积i型多晶硅,分为两个子类,一类是全扩散工艺,另一类是磷工艺。另一个主要环节是P型多晶硅的PECVD氧化沉积。这种方法工艺流程较短,有望大大降低成本,也是技术的发展方向。
HJT电池
HJT电池又称异质结电池,是一种混合太阳能电池和双面电池。
与PERC电池和TOPCon电池相比,HJT的工艺流程大大缩短,有利于缩短生产时间,提高生产效率。其制备工艺大致包括清洗制绒、非晶硅沉积、TCO膜制备和丝网印刷。其中,非晶硅沉积和TCO膜制备是两个关键环节,有两种制备方法。
非晶硅沉积的方法有PECVD和CAT-CVD两种。与前者相比,后者的成膜质量更高,对硅片的钝化效果更好,但均匀性差,维护成本高。TCO膜的制备方法有PVD和RPD两种。后者设备生产能力低,价格高。目前专利权在日本住友公司手中,有专利保护。相对而言,前者PVD更有可能成为主流工艺。
未来的光伏电池技术
IBC电池
IBC电池又称互嵌背接触电池,是高效大面积太阳能电池之一,也是典型的N型电池。这里的背接触电池包括MWT、EWT和IBC电池。MWT和EWT电池的转换效率有限,IBC电池的理论转换效率较高。
IBC电池的正面没有金属栅线,背面的组件相互交错。这种结构可以增大发电面积,提高发电效率。IBC电池还可与HJT电池技术集成,即HJBC和HBC电池技术,效率分别为25.1%和25.6%。
过氧化物太阳能电池
随着TOPCon、HJT、IBC等技术的逐渐成熟和接近其光电转换效率的理论极限,业界开始寻找新一代的太阳能技术。
如果说以上提到的都是晶硅电池,那么按照另一种标准,还有薄膜电池。包晶体太阳能电池就是其中之一,它利用包晶体金属卤化物半导体作为吸光层材料,吸收光子,产生电子对,驱动电池。
在早期,perovskite指的是一种金属矿物。现在,透辉石通常指具有与钛酸钙相同或相似晶体结构的离子晶体。作为光电转换材料,它具有以下优点:
首先,光电转换效率非常高。在过去的十年中,过氧化物电池的效率已从3%提高到28%。甚至有实验室可以达到31.3%的转换率,增长速度远远高于硅基电池的发展速度。用13年时间完成了硅基电池40年的发展历程。二是材料制造成本低,合成方法简单。三是可以自由调节光吸收带隙,从而提高光能的利用效率,甚至串联电池的极限效率有望超过40%。
然而,目前大规模制备过氧化物层的技术还不成熟,材料的稳定性也不足。要想进一步实现产业化,还需要对器件的性能和稳定性进行更深入的研究。
目前的技术格局和龙头企业的生产能力
从目前的市场竞争格局来看,由于技术与P型时代的主流Perc技术一脉相承,TOPcon技术自然呈现短期高确定性。
以HJT为代表的颠覆性技术在性能上有很多优势,但生产线和工艺与Perc时代并不兼容。作为平台级技术,HJT与下一代包晶电池技术融合形成串联电池更为顺利。
目前,HJT和TOPCon技术在电池制造端已经进入实战阶段,总体来看,TOPcon技术短期优势明显,HJT未来胜出的潜力较大。不同的技术路线对不同的设备有不同的要求,技术迭代会影响厂商的设备需求,也会影响厂商的业绩。
总之,迭代使得技术不断完善,产品不断降本增效,但相应的厂商也将同时面临诸多风险。”说到厂商,以前光伏设备市场规模较小,每个细分市场从10亿到几十亿不等,对行业外的厂商吸引力不大。但随着设备规模的逐步扩大,吸引了更多的设备制造商进入,行业竞争也随之加剧。从历史发展进程来看,中国光伏电池产业在迭代中成长壮大。
我国光伏产业规模在全球处于绝对领先地位。如果以产能计算,到2023年,中国太阳能电池制造商前十名中将形成通威、隆基、爱旭、天合、晶澳、晶科、润阳等企业的竞争格局。
近期,各行业半年报也陆续出炉。下面笔者就给大家盘点一下这些公司上半年的表现。业绩翻番的通威股份,其TOPCon即将量产,明年有望为电池业务贡献超额利润。已经扭亏为盈的爱旭股份,其ABC电池即将量产,业务将大增。