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光伏电池深度解析：N型电池将成下一代主流方向

深度行业研究 乐晴智库精选 2024-04-11

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随着P型电池接近效率极限，N型电池技术料将成为未来发展的主流方向，其中TOPCon和HJT技术为产业投资和市场关注的重点。
晶硅电池技术是以硅片为衬底，根据硅片的差异区分为P型电池和N型电池。
P型电池（左）和N型电池（右）结构示意图：
资料来源：solarzoom
两种电池发电原理无本质差异，都是依据PN结进行光生载流子分离，但是由于扩散B元素和P元素在实际工艺上差异、以及晶体硅内部缺陷对光照的响应和对少子的捕获能力差异，导致二者在实际工业生产中面临不同的挑战和发展前景。
P型硅片制作工艺相对简单，成本较低，主要是BSF电池和PERC电池，为目前主流。
N型效率更高，但是工艺复杂，目前投入比较多的主流技术为HJT电池和TOPCon电池，2020年仅占比约3.5%。根据CPIA预测，2030年，N型电池的市占率或将达到56%左右，前景十分广阔。
光伏电池片技术路线：
资料来源：PVinfolink, 中信证券

P型电池：PERC电池为主流


传统单晶和多晶电池主要技术路线为铝背场技术(Al-BSF)，目前主流的P型单晶电池技术为PERC电池技术，该技术制造工艺简单、成本低，叠加SE(选择性发射技术)提升电池转换效率。
PERC电池技术的推广主要得益于单晶硅片的大规模推广，设备国产化率快速提升等因素。根据CPIA数据，2020年新建量产产线仍以PERC电池为主，PERC电池市场占比达到86.4%。
从目前电池效率看，隆基24.1%的转换效率已经接近PERC电池24.5%的极限效率，电池厂商研发重心已经逐步转向新的技术，PERC技术正式进入变革后周期，市场存在明显的“效率焦虑”。

光伏电池技术及效率演进发展史：
资料来源：NREL

N型电池转换效率高，有望替代P型电池成为未来光伏电池主流技术。

理论上来说N型电池优势明显：与传统的P型单晶电池和P型多晶电池相比，N型电池具有转换效率高、双面率高、温度系数低、无光衰、弱光效应好、载流子寿命更长等优点。
从目前技术发展来看，P型PERC电池已经迫近效率天花板，降本速度也有所放缓。而N型电池效率天花板较高，电池工艺和效率提升明显加快，未来转换效率提升空间更大。

根据光伏协会产业发展路线报告，N型高效电池2030年转换效率或超过25.5%，比P型电池高出1个百分点以上。
随着国产化设备成本不断降低，且N型电池效率提升空间具备优势，对更高效电池的追求也成为市场的选择，有望成为下一代电池技术的发展方向。
各种电池技术平均转换效率变化趋势:
资料来源：中国光伏产业发展路线图（2020版）

N型电池主流技术：HJT电池和TOPCon电池


目前实现小规模量产(>1GW)的新型高效电池主要包括TOPCon、HJT和IBC三种。
HBC、叠层电池暂时还处于实验室研发阶段。同时，N型电池技术组成的叠层电池，转换效率将有进一步提升的空间。

HJT电池：生产工艺简单、技术难度高

HJT电池对称结构使得电池本身受到内部应力的影响更小，低温工艺进一步保护了晶体内部结构和器件界面接触，使得电池良品率不会因硅片减薄而受到较大影响。
在此基础上，HJT电池结合预切半刀技术可以将电池片厚度从160-170μm降低到120-130μm。
HJT的高效率来源于N型硅衬底以及非晶硅对基底表面缺陷的双重钝化作用。非晶硅由无规则网络构成，含有大量的断键可以起到饱和硅基底表面悬挂键的作用。
HJT只需4步工艺但技术难度较大：制绒清洗设备（投资占比10%）、非晶硅沉积设备（投资占比50%）、透明导电薄膜设备（投资占比25%）和丝网印刷设备（投资占比15%）。
其中制绒清洗设备和丝网印刷设备已经实现国产替代；迈为股份、捷佳伟创、理想万里辉和钧石能源均有PECVD设备销售；迈为股份、捷佳伟创、钧石能源均有PVD设备销售，理想万里辉正在推进样机研发。
HJT与PERC工艺路线完全不同，无法延伸，只能新投产线，且HJT与主流的PERC生产设备不兼容，因此PECVD等制膜和真空设备的投入会给企业带来较高的转换成本。
HJT电池设备企业及对应工艺环节：
资料来源：兴业证券

TOPCon电池：关键设备国产化程度高

TOPCon相比PERC工艺流程增加2-3步，但可在PERC工艺技术上延伸。目前TOPCon所使用的的PECVD均为管式，与HJT的板式不同。
TOPCon仅需在PERC产线基础上增加硼扩、LPCVD和湿法刻蚀机台，新增投资额约5000万元/GW。
TOPCon关键设备目前已经实现国产化，拉普拉斯、捷佳伟创、北方华创、48所均有相关设备生产。
TOPCon电池设备企业国产化程度高:
资料来源：兴业证券
国内各大光伏企业均在积极布局N型电池。
根据隆基股份2020年以来的投产公告推测，其新建的电池项目中约有33GW将要布局TOPCon，包括银川5GW、西咸15GW、宁夏3GW、曲靖19GW。
通威股份金堂（一期）7.5GW高效太阳能电池片项目和眉山（二期）7.5GW高效太阳能电池片项目均预留了TOPCon新型高效电池技术升级空间。
晶科能源2021年1月7日宣布，其大面积N型单晶硅单结TOPCon电池效率达到24.9%，再破世界纪录。目前已有部分产能。
天合光能2015年开始布局公司i-TOPCon电池研发，2018年技术实现产业化，目前量产平均转换效率23%，2019年5月公司i-TOPCon电池转换效率还一度达到24.58%，打破了世界纪录。
在光伏行业持续降本的进程中，过去五年是P型和N型同步赛跑和效率提升的阶段，N型电池的工艺、设备及材料等因素不具备性价比。
但站在目前时点，P型电池接近其效率极限，设备成本下降接近其极限，而随着光伏设备和材料的国产化日趋成熟，对于更高效电池的追求也成为市场的选择，N型电池提效降本空间更大的优势便体现出来，预计2021年有望成为N型电池加速量产的关键时点。
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