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        常州九天新能源科技股份有限公司

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        降損提效馬不停蹄,多技術并行或將開啟

        發布日期:2022-11-10 點擊:272

        首個光伏電池誕生至今已有近 70 年歷史,到 2019 年,單晶 PERC 電池成為光 伏行業的主流技術,其良好的光電轉換效率表現成為推動太陽能發電與傳統能源 “平價”的關鍵因素。不過目前業內 PERC 電池量產效率已經普遍超過 23%, 越來越接近 24.5%左右的其理論極限,而實驗室記錄也已經較長時間未再有突破。因此產業界都已紛紛將重點投向對新一代主流電池技術的開發,各大龍頭企 業的新一代電池技術也將陸續在年內相繼亮相市場,路線不盡相同。

        主流的高效 PERC 電池運用了多種表面鈍化手段。產業化生產方法已經相當成熟。N 型 TOPCon 和 HJT 為近年來最受關注的新興高效電池技術代表,此前產業化的主要問題在于成本過高,經濟性不足,但隨著技術的不斷進步,目前已開始步入成熟階段。今年以來,組件端一體化龍頭企業已陸續對前者啟動大規模的投產 和擴產行動,標志著 N 型技術電池進入規?;慨a“元年”,而后者的規模量產也在加速推進。

        TOPCon 電池為鈍化接觸技術新興代表,與現有產線兼容性較高。TOPCon 電池理論效率上限高,提出時間較短,但發展迅速根據選擇性接觸理論的研究推算, 雙面鈍化結構的 TOPCon 電池的最高理論轉換效率可達到 28.7%,接近晶硅電池的上限,也略為高出 HJT 電池的 28.5%,而 PERC 電池僅為 24.5%,即便是僅進行背面鈍化, TOPCon 電池的理論效率也可以達到 27.1%。從實驗室研發情況來看,近年來業內領先企業和知名研究機構都已能很好地將 TOPCon 電池效率開發到 25%以上,今年以來,天合、晶科接連刷新大面積電池記錄,目前已經能達到 25.7%,而在相對容易達到更高效率的小面積電池方面, 德國 ISE 在 2019 年已突破了 26.0%的水平。

        TOPCon 與 PERC 電池在結構方面一定的相似性也帶來了設備和工藝上的相容性。前者的正面與后者的背面膜層及金屬化方式一致,兩面最外側也都是氮化硅減反鈍化層,前道的清洗制絨工藝也相同。產線方面的兼容性成為 TOPCon 電池在產業化推廣時的一項重要優勢,特別是在當前行業里存量 PERC產能大量存在的情況下,只需對產線進行升級即可,投入也比新建產線小不少,因此原有企業也更有動力在技術上進行投入和突破。TOPCon 電池的優勢和潛力近年來吸引了大量企業進行產業化研發投入,目前總體由行業內的原有資深企業主導,但也有部分新興企業大力投入,并持續取得重要突破。

        目前來看,業內領先企業的研發效率均已能達到 25%以上,量產線效率也基本突破 24.5%。產能方面,根據我們統計目前行業里已經在建和籌建中的新產能有大約 183GW, 也已有龍頭企業已建成超 10GW 的大規模量產線,其他企業也在快速推進,預計隨技術的不斷成熟、終端經濟性的體現,新規?;a能的建設還將加速,包括部分已有新電池擴產計劃,但尚未決定具體技術路線的企業,以及擁有大量待升級存量 PERC 產能的企業,都有望快速跟進。

        晶科能源作為全球四大組件一體化龍頭之一,于去年 11月推出使用 N 型 TOPCon 電池的組件產品 Tiger Neo,公司近年間在 TOPCon 技術上的投入相對篤定,并快速取得突破,多次打破轉化效率世界紀錄,今年 4 月以 25.7%的效 率再次刷新紀錄,量產線效率也達到 24.5%以上。 在規?;a能建設方面,晶科目前已經擁有16GW 的 TOPCon 的產能,正在建設和籌備的新產能預計達 19GW,大步走在行業之前。公司 2019 年就已建立了 900MW 中試線,去年開始建設海寧尖山和安徽合肥兩大生產基地,一期項目各 8GW,均在 Q1 時投產,目前已滿產,同時公司于 6月底啟動了尖山 11GW 二 期項目,合肥的二期電池項目也已經在籌備中。在市場推廣方面,今年以來晶科 TOPCon 組件已經至少 7 次中標央國企組件招標項目,成為 N 型電池元年的先 行者

        天合光能早在 2015 年就已經開始了 TOPCon 電池的研發, 2019 年就發布了采用此電池技術的組件產品 i-TOPCon,后中試線規模達 500MW。今年 3 月,天合國家重點實驗室宣布其 210 大尺寸 TOPCon 電池最高 效率達到 25.5%,創造了新的大尺寸世界紀錄,量產線效率也在 24.5%以上。規 ?;a能方面,天合于今年 4 月啟動了宿遷 8GW TOPCon 電池項目,預計年內 實現投產,而 6 月新開工的西寧產業園中規劃有 10GW 的 N 型電池產能,在全 行業推廣順利的情況下較大可能繼續采用 TOPCon 路線。

            晶澳科技在 5 月發布了 DeepBlue 4.0 X 組件,采用名為“Bycium+ 倍秀”的 TOPCon 電池,量產效率可達到 24.8%以上。實際上,公司在 2020 年 時TOPCon電池的效率已能接近24%。規?;a能方面,而寧晉1.3GW TOPCon 電池產能預計將在近期實現投產,到年底左右預計公司將擁有 6.5GW 產能。此 外,公司分別在 5、6 月分別公布了曲靖和揚州兩個 10GW 新電池項目。

        電池龍頭通威股份 4 月初也公布了 32GW 高效晶硅電池新項目,將分兩期建設,尚未明確技術,由于公司在 TOPCon、HJT 等新電池領域都有不少 投入,若 TOPCon 技術產業化推廣順利,則可能會有較大比例選擇這種技術路 線,而公司的存量電池產線也有望批量化進行改造。

        此外,中來股份為組件背板行業龍頭,2019 年公司開始大力對新型電池及組件業 務進行研發布局,選定 TOPCon 技術路線,當年便實現量產效率 23.5%,當前 自主研發的 TOPCon2.0 電池量產轉換效率也可達到 24.5%,采用創新性的 POPAID 工藝路線,目前已累計出貨 5GW 的 TOPCon 組件產品。產能方面,公 司目前已經建成約 7.6GW,其中泰州基地共有 3.6GW 的產能,同時山西 16GW 電池項目處于持續建設中,一期 8GW 中的 4GW 已于今年 6 月底投產。 (2)一道新能源于 2018 成立,為發展迅速的新興電池組件企業代表。公司在 創立之初便以N型技術作為布局核心,目前TOPCon電池實驗效率可達25.5%, 量產效率也超過 24.6%。公司 2019 年已建成 1.2GW 的 TOPCon 產能,到 2021 證券研究報告 請務必閱讀正文后免責條款部分 27 年底達到 6GW,按規劃預計 2022/23 年底將達到 20/30GW。近期,公司 N 型 組件中標央企華能集團項目,已正式簽約,并向市場推出“DAON”品牌 3 個系 列高效 N 型組件新品。

        從經濟性和市場推廣角度來分析,TOPCon 電池的制造成本目前仍高于 PERC, 主要在于設備成本、漿料銀耗等方面,但差距已相對不大,在主要的新電池技術中最為領先。

        HJT 電池可以擁有很高的轉化效率,主要與其結合兩種不同特性的材料和良好的表面鈍化效果有關:1HJT 電池較大的效率潛力吸引了國內外諸多機構進行研究突破,從近年的實驗 室研發結果來看,大面積的電池轉化效率都已能比較輕易的突破 25%,開路電 壓已普遍接近或超過 750mV,今年隆基更是將最高記錄刷新至 26.5%HJT 電池另一個優勢在于較突出的發電量增益效果,主要體現在:1)溫度系數 明顯低于其他主要電池技術,即高溫下發電能力更強,原因在于較高的開路電壓, 2)雙面發電能力突出,主要在于其天然對稱的電池結構,3)弱光響應能力強, 主要系其結合了薄膜電池的特點,非晶硅材料對弱光的吸收效應強制造成本偏高問題尚在解決,設備、銀耗、硅片和靶材為重點突破方向。綜合來看,目前全行業已有的 HJT 產能預計已突破 10GW,但單一公司產能體 量都還不大,在建和規劃的產能也達到了約 190GW,但其中實際在建且穩定推 進的項目相對有限,若年內多方面技術能穩步實現突破,讓成本問題得到解決, 預計行業產能的快速擴張將會很快形成。 

         

        另一方面,如果在電池結構上進行創新,著眼于光學損失的降低,即使沿用 PERC 電池的相關鈍化技術,也能夠帶來較好的轉化效率的突破,其中最典型的一類就 是將所有電極都轉移至背光面的背接觸(BC)電池,實際上也為 P 型電池下一 步發展帶來可能性。IBC(叉指式背接觸電池)電池是最具代表性的一種背接觸電池,最早于 1975 年 提出,后主要由美國 SunPower 公司實現商業化突破。IBC 電池的核心特點在于前表面無金屬柵線,可以全面積無遮擋地吸收太陽光, 因此正面轉化效率能達到很高的值,這是通過將發射極放到電池背面區域,形成 間隔排列的帶狀區域來實現的,同時正負細柵電極在背面也就呈現出交叉分布的 狀態。另一方面,由于柵線都在背面,就能通過更大的寬度或密度來降低串聯電 阻,進一步提效。當前來看,商業化的 IBC 電池效率已可以達到 25%。 此外,對于 PN 結在背面的電池,還存在一個重要優勢,即襯底硅片更容易減薄, 這與載流子收集率有關,目前 IBC 電池使用的硅片厚度約在 130μm 左右。

        BC 電池獨特的結構較大程度增加了制作難度,也導致生產成本居高不下,關鍵 就是如何在背表面制作出間隔排列的 p 型與 n 型摻雜區域,并在上面形成金屬 化接觸和柵線。

        以 IBC 為代表的背接觸電池正好契合了分布式光伏的差異化特點。一方面,極 強的單面發電能力和高電池封裝密度可以在有限的面積和組件數量下發出更多 的電,另一方面,正面無柵線的特點也更符合美學特征,并能更好地融入到建筑 設計之中。分布式市場發展蓬勃、空間廣闊,為背接觸電池的推廣提供了良好的條件。近年 來,全球分布式光伏市場發展相對迅速,根據 IEA 數據,屋頂光伏年新增裝機占 比已從 2018 年不足 35%提升到 2021 年接近 45%的水平,意味著分布式光伏已 達到總體市場一半左右的水平。今國內方面,分布式光伏增長勢頭同樣強勁,去年在整體裝機中的占比歷史上首次 超過了集中式,今年以來一直持續,上半年則超過 60%,這主要系分布式系統造 價更低,在當前硅料供應不足導致價格高企的情況下,對組件價格接受度相對較 高,不過長期來看分布式確已成為與集中式并駕齊驅的主要市場。自主進行研究的國內企業方面:1)天合光能,2011 年時便與海外學術機構 聯合研發 IBC 電池,2014 年以 24.4%的轉換效率創下世界紀錄,2018 年自主 研發的大面積 N 型 IBC 電池成為國內首個經第三方權威認證效率超過 25%的電 池,2)國電投黃河水電,從 2016 年開始設立 200MW 的 IBC 產線,當年轉換 效率達到 18.3%,今年 2 月公布 IBC 電池量產效率突破 24.1%,3)愛旭股份, 于去年 6 月 SNEC 推出最新研發的 ABC 電池,采用的就是正面無柵線的背接觸 結構,量產轉換效率可達到 25.5%,并推進 300MW 中試線,今年 6 月發布四款 使用 ABC 電池的組件,而珠海 6.5GW N 型新世代電池也預計將在下半年投產, 4)晶澳科技在 2019 年的 SNEC 也展出過 IBC 電池產品,此外海潤光伏早期也 曾在 IBC 電池領域有所建樹。

        值得一提的是,一體化組件龍頭隆基綠能今年以來多次表示將推出針對分布式應用市場的新產品,結合此前分析,有較大可能也為類似 IBC 的背接觸電池。預計 隨國內外企業,特別是龍頭公司的持續研發推動下,背接觸電池有望進一步邁向 更廣闊的大眾市場。IBC 電池若與 HJT 電池中非晶硅鈍化層結合可以形成 HBC 電池,這樣可以同時 發揮 BC 電池完全利用正面光線和 HJT 電池高開路電壓的優勢;若與 TOPCon 電池中的隧穿/多晶鈍化層結合則能會成為 TBC 電池(或稱 POLO-IBC)。以上兩類電池的實驗室轉化效率皆已突破 26%,其中日本 Kaneka 公司 2017 年開發 出效率為 26.63%的大面積 HBC 電池,成為目前晶硅太陽能電池研發效率的最高水平。

        從產業化的角度分析,雖然多技術的疊加帶來了轉換效率的提升,但成本也會相 應大幅增加,例如需要同時用到多種技術路線的設備,工藝流程也將變得更加繁瑣復雜,而在 IBC 和 HJT 本身制作成本就高出主流 PERC 電池很多的情況下, 問題會更加突出。因此預計只有當各獨立技術路線本身已具備經濟性,可以成熟 產業化時,HBC 和 TBC 電池才有望達到量產條件。

        最后,從更長遠來看,多種技術的疊加可能是光伏電池邁向更高轉化效率水平的 根本方法,其中備受矚目的一個重要方向就是晶硅電池技術與鈣鈦礦電池技術的結合,二者可以形成上下兩層甚至多層的疊層電池,更大程度的利用太陽光譜現 29%以上的轉化效率。主流 PERC 電池的效率瓶頸已越發明顯,以 TOPCon、BC 為代表的新一代規模 化量產技術也在年內展現出良好勢頭,預期將帶來轉換效率的又一次跨越,在經濟性持續增強下產業化有望加速實現。電池技術的順利升級有望加速光伏對傳統能源的替代,進一步打開產業整體的成長空間。


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