2020年光伏异质结行业研究报告
导语
由于异质结电池采用薄膜沉积工艺，未来还有同 IBC 电池和钙钛矿电池结合的可能，目前看来最高效率可逼近晶硅理论上最高光电转换效率 29％，效率提升路径比较明确。效率是光伏电池性能最重要的部分之一，更高的效率天花板和更明确的效率提升路径决定了异质结电池是未来的重要方向。
来源：开源证券
1、 HIT 具有高性能高潜力，或是下一代主流光伏电池技术
1.1 、 异质结电池技术高速发展，量产效率领先，更具产业化优势
近年来异质结转换效率突飞猛进，逐步成为光伏行业关注焦点。异质结电池技术最早于 1974 年由三洋提出，1990 年三洋将本征非晶硅以薄膜形态呈现在异质结电池中，并将电池效率提升至 15％。以美国NERL 的光伏电池实验室的转换效率数据作为参照口径，近 20 年来，单晶硅电池最高效率提升缓慢，而异质结电池最高效率在快速提高，并在 2013 年超越单晶硅电池，2016 年纯异质结电池的最高效率已达到26.7%，早已超过单晶硅电池最高效率。
更高的效率以及较少的工序使得异质结未来更加适合产业化。目前的主流电池技术中，PERC 技术与传统 BSF 技术相比仅增加了氧化铝背钝化和激光开槽两道工艺，即利用场钝化削弱了 BSF 背面直接与 Si 接触带来的载流子复合严重的问题，Voc（开路电压）的极限从 685mV 提升为 690mV，效率提升 1%以上，而增加的投资在 1-2 亿元/GW，性价比的提升是 PERC 成为当前主流技术的重要原因。但 PERC 电池背钝化的 Al2O3/SiNx 均为介质绝缘膜，需要激光开孔，载流子需要二维运输才能被金属电极收集，这样的工艺造成了横向电阻输运损耗，Voc 难以突破 700mV，这也导致了电池效率难以有更高的突破。HIT 则使用非晶硅薄膜作为钝化材料，实现载流子的一维运输，同时减少了少子向金属接触区域迁移导致的复合损失，Voc 可提升至730mV，电池效率提升空间更大。同时，异质结电池与 IBC 电池相比，成本相对更低、工序极其简单、设备成本相对更低，在当前环境下更具备产业化的优势。
技术原理决定更广阔的效率提升空间。由于异质结电池采用薄膜沉积工艺，未来还有同 IBC 电池和钙钛矿电池结合的可能，目前看来最高效率可逼近晶硅理论上最高光电转换效率 29％，效率提升路径比较明确。效率是光伏电池性能最重要的部分之一，更高的效率天花板和更明确的效率提升路径决定了异质结电池是未来的重要方向。在高效电池中，异质结成本相对较低且降本路径更明确，无衰减以及低温度系数等优越特性更是使在其在可预见的未来十分有可能成为主流电池技术。
1.2 、 异质结电池工艺流程简洁，拥有更高开路电压
异质结的工艺流程更为简洁，独特工艺是非晶硅薄膜沉积和 TCO 膜沉积。异质结电池全称为本征薄膜异质结电池（Heterojunction with Intrinsic Thin-layer），又称 HIT、HJT 或 SHJ 电池。其工艺流程十分简洁，主要是清洗制绒、非晶硅薄膜沉积、TCO 膜沉积以及丝网印刷四道工序。与需要 10 余项流程的 PERC+以及 TOPCon 相比， HJT 工艺流程相当简洁。而且其中清洗制绒和丝网印刷都是传统硅晶电池的工艺， HJT 独特的工艺在于非晶硅薄膜沉积以及 TCO 膜沉积。
1.3 、 低温度系数、无光衰为异质结电池带来长期发电优势
功率温度系数和光衰问题是电池的重大问题。光伏电池的开路电压对转化效率有重要影响，在实际使用过程中，电池的效率不会一直保持最佳状态。两个重要的因素是功率温度系数和光衰的问题。光伏组件在夏天的发电量更低就是因为功率温度系数为负，而光伏组件的光衰问题则会导致每年发电量的递减问题。夏季光伏组件表面可达到 60℃与标准环境相差 35℃，而组件的预期寿命长达 25 年，因此这两个参数的差异在长期中将会放大，对光伏电站的收益将产生影响。根据梅耶博格的测算，即使电池效率同为 22%，异质结电池相比 PERC 电池的发电量也可高出 12%。
功率温度系数更低带来更多发电增益。通常情况下，电池片温度每升高 1℃，常规单晶电池的温度系数为-0.42%，PERC 电池-0.37%，PERC 有所改善但幅度并不大。异质结电池的温度系数仅为-0.25%。异质结电池本身的效率就更高，功率更高，而因高温的功率损失却更低，优势更为突出。当考虑到光伏组件全生命周期时，发电增益的优势更为明显。
异质结电池采用 N 型硅片无衰减问题。硅原子的价电子个位数为４，当掺杂价电子个数为５的杂质元素（磷）时形成 N 型硅片，当掺杂价电子个数为３的杂质元素（硼、镓）时形成 P 型硅片。PERC 电池采用 P 型硅片，传统工艺为掺硼形成，新工艺为掺镓形成。掺硼的工艺会导致形成硼氧复合体 BO-LID 进而引起光衰现象，甚至 PERC单晶电池的首年衰减比光电转化效率相对较低的多晶电池还高出 0.5%。而由于 N 型硅片掺磷，不存在硼氧复合体，由此导致的光衰几乎可以忽略。
1.4 、 大硅片时代异质结电池效率的优势将在组件端进一步放大
大硅片时代将在组件端放大异质结电池效率的优势。2019 年 6 月隆基股份发布了M6（166mm）硅片，2019 年 8 月中环股份发布了M12（210mm）硅片，新一轮的硅片规格标准的变化启动。
组件的功率等于组件中有效的电池片面积、太阳辐射强度以及电池效率之积。因此未来将异质结电池替代 PERC 电池时将造就更大功率的组件，从而为终端投资者带来更低的单瓦成本和度电成本。
2、 工艺优化路径明确，设备、耗材国产化为量产做准备
薄膜沉积是异质结工艺的核心。异质结电池制造工艺主要是清洗制绒、非晶硅薄膜沉积、TCO 薄膜沉积和丝网印刷，其中核心工艺是非晶硅薄膜沉积和 TCO 薄膜沉积。由于高温易使杂质扩散而影响非晶硅薄膜质量，从而影响钝化效果，异质结电池制造过程采用低温工艺，一般电池制造可能高达 800℃，而异质结电池制造一般不超过 200℃。不仅仅是薄膜沉积是低温工艺，丝网印刷也采用低温银浆，这就保证了非晶硅薄膜的质量。
相对 PERC 工艺更为简洁和精密，并借鉴半导体工艺。就 BSF 电池以及在其基础上改进的 PERC 而言，其工艺流程步骤相对繁琐，但异质结电池的工艺仅四步。异质结电池更多地借鉴了半导体工艺，在清洗制绒阶段，使用半导体的 RCA 工艺。由于需要进行薄膜沉积，异质结电池工艺使用的 PECVD 和 CVD 也更为精密，更偏向半导体工艺。
3、 异质结高效率享产品溢价，长期降本空间清晰
3.1 、 异质结相对 PERC 拥有一定溢价空间
异质结较高的发电效率以及低衰减特性使得在 BOS 成本和 LCOE 两端拥有溢价：
1） 异质结电池拥有更高的发电效率和双面性。目前异质结发电效率相比 PERC 提升1%-1.5%，同时双面率可以达到 95%以上，因此组件的综合功率可以较 PERC 做的更大。而大功率组件可以带来下游电站建设过程中和面积相关的 BOS 成本（例如土地、运输、安装、桩基、支架等）的摊薄。假设 PERC 组件功率为 440W，异质结组件为470W，则根据我们测算可以带来支架、线缆、土地及安装费等 BOS 成本 4.1 分/W 的降幅。
2） 异质结抗光衰的特性使得异质结组件在 LCOE 成本相对于 PERC 可以拥有较高的溢价。以目前异质结的技术水平，首年衰减 0.5%，之后年均平均衰减为 0.2-0.3%， 根据我们测算，在保持 LCOE 同等水平下，异质结相比较 PERC 拥有 0.25 元/W 溢价空间。综合以上，我们认为在目前技术水平下，异质结相比较 PERC 拥有约 0.29元/W 溢价空间。
3.2 、 异质结电池降本路径清晰，设备、辅材皆有下降空间
3.2.1 、 四大工艺环节：国产化为主要降本路径
1）清洗制绒环节。主流工艺为 RCA 法，臭氧+双氧水工艺在大批量生产验证后清洗效果较为稳定，并且在去除氨氮工艺后污水处理与化学品成本大大降低，是现在最佳的清洗工艺。目前 HJT 电池制绒添加剂成本还是较高，原因在于主要还是靠进口添加剂。但添加剂本身的成本非常低，目前国内相关厂家也在研究制绒添加剂并已有所突破，预计清洗制绒环节成本降幅可达 80%以上。
1） 非晶硅沉积。异质结电池制造工艺流程中非晶硅薄膜沉积的方法是化学气相沉积法（Chemical Vapor Deposition），主流方法是 PECVD 和 Cat-CVD。非晶硅沉积主要考虑为薄膜均匀性、氢含量、光敏性，目前目前单片成本集中在 0.03-0.05 元，未来有望下降到 0.01-0.02 元。
2） TCO 膜制备。现阶段 TCO 制备工艺主要为 PVD 直流磁控溅射工艺与 RPD（反应等离子体沉积）工艺。目前采用 PVD 方式成膜的企业较多，主要是 PVD 设备较为成熟，价格便宜，同时设备较为稳定。同时 PVD 所使用的的靶材生产企业较多， 基本不受专利限制，主要是 ITO 受制于日本住友专利。RPD 正/背面均需要 2 个IWO/ICO 靶材，进口靶材成本在 0.6-0.7 元/片，国产化后有望降到 0.2-0.3 元/片。
3）丝网印刷。低温银浆是 HJT 电池成本中占比较大的一部分，目前 HJT 电池银浆耗量大约是传统电池的五倍，因此降低低温银浆成本首先要降低银浆用量；另外，低温银浆本身用的浆料多，含银量也较高，所以成本更高一些，可与供应商共同开发新产品以降低成本。目前通过结合多主栅、叠瓦等技术降低银浆耗量，可以大幅降低低温银浆的成本，降幅大概在 50%-70%之间。
3.2.2 、 薄片化有望降低成本
无应力和低温工艺使得异质结电池更能接受硅片的薄化而不引起良率的下降，硅片可以做的更薄。更薄的 PERC 电池发生曲翘，不同厚度的 PERC 电池的各项参数对比，发现电池对长波部分的吸收随着其厚度的减小而降低，进而导致短路电流和转换效率的降低。在电池厚度小于 110μm 时，出现严重的翘曲及失效现象。由于异质结电池结构对称，加上电池工艺最高温度不超过 200°C，其更易于实现在量产中使用薄化硅片。
根据我们测算，以目前薄片（180μm）和细线（50μm）技术水平，薄片和细线每降低 5μm/2μm，在 2019 年基础上可降低公司硅片环节 2.8pct/1.0pct 成本降低。
3.2.3 、 设备国产化进一步拉低成本
HJT 电池产线主要的专用设备是 CVD（化学气相沉积）设备和 PVD 设备。相关设备最初是为平板显示行业设计的，没有按照异质结这种特定的技术来优化和设计，所以可以联合设备厂家进行一些优化，技术难度并不大，如 CVD 设备沉积腔里都不需要变，只要将一些传输设备及机械进行优化，产能就可以翻倍，设备成本自然会摊薄；PVD 设备更不需要进行大的改进，设备国产化后就可以大幅降低成本。
以东方日升 2019 年发布的 2.5GW HIT 电池项目设备投资为例，HIT 电池产线设备投资额为 10 亿元/GW，其中清洗制绒设备占比 8%，非晶硅薄膜沉积设备（采用 PECVD）占比 40%，正面和背面 TCO 沉积设备（采用 RPD）占比 28%，丝网印刷等后段设备合计占比 26%。
优化工艺设计，缩短周期也可带来成本降低，除了设备的单纯制造产能外，降低资本支出的途径还包括以下几点：工艺反应器的平行化、PECVD 和 PVD 的单个承载工艺、在线工艺和通过合理系统设计缩短工艺周期。例如，在 INDEPtec 的技术里， 单个空腔承载允许硅片处在同一个承载上，前表面和背面 a-Si:H 可以同时进行沉积， 即缩小了空间又能实现自动化。
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