当前位置： 模型材料 >> 模型材料市场 >> 碳中和光伏产业全面分析四电池TOPC
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本篇讲光伏中游电池，下篇讲光伏中游组件
六、电池27.市场：10GW亿年全国电池片产量12GW亿（0.元/W)28.原理：半导体光电特性半导体掺入Ⅴ族元素（磷P砷As），V族元素相比Ⅳ族的外层电子多出一个，多出的电子能够作为导电的来源，这种掺杂手段被称为N（Negative）型掺杂如果掺入Ⅲ族元素（如硼B氟化硼BF2），Ⅲ族元素相比Ⅳ族的外层电子少一个，这种缺少电子的空位被称为空穴，空穴同样能够导电，对应的掺杂手段被称为P（Positive）型掺杂当太阳光照射在表面，PN结附近的电子吸收能量变为移动的自由电子，同时在原来的位置形成空穴，当连接电池正负极形成闭合回路时，自由电子受到内电场的力从N区经过导线向P区移动，在外电路产生电流，详细分析请参考半导体全面分析（一）：两大特性，三大政策，四大分类！29.技术路线：Al-BSF→PERC→TOPCon/HJT→HBC/TBC→叠层钙钛矿/多带隙/热载流子根据所用材料的不同，太阳能电池可分为三大类晶体硅太阳能电池：单晶硅、多晶硅薄膜太阳能电池：硅基薄膜、化合物类以及有机类新型太阳能电池：叠层、多带隙、热载流子技术路线为Al-BSF→PERC→TOPCon/HJT→HBC/TBC→叠层钙钛矿/多带隙/热载流子，下面一一介绍30.Al-BSF：制绒、扩散、刻蚀、镀膜、丝印、烧结、分选基于光伏原理，提升光电转换效率要降低光损失、减少电子空穴对复合降低光损失：光照射时，电池片正反面都会产生折射和反射，降低电池片反射率的工艺包括表面制绒、栅线遮光、制备双层减反膜等减少电子空穴对复合：光伏利用少数载流子（电子/空穴）进行工作，少数载流子寿命（少子从产生到复合的时间间隔）决定转换效率，减少少子复合可以增加少子寿命，少子复合包括体复合和表面复合，减少少子复合的工艺包括正面镀膜（同时减少体复合和表面复合）、铝背场（减少背面复合）、镀氧化铝钝化（减少背面复合）等Al-BSF铝背场电池指在PN结制备完成后，在硅片的背光面沉积一层铝膜，制备P+层的光伏电池，既可以减少少数载流子在背面复合的概率，也可以作为背面的金属电极，包括制绒清洗、扩散制结、刻蚀、制备减反射膜、印刷电极、烧结及自动分选七道工序制绒清洗：利用硅的各向异性腐蚀，在每平方厘米硅表面形成几百万个四面方锥体也即金字塔结构，由于入射光在表面的多次反射和折射，增加了光的吸收，提高了电池的短路电流和转换效率扩散制结：太阳能电池需要一个大面积的PN结以实现光能到电能的转换，扩散炉即为制造太阳能电池PN结的专用设备去磷硅玻璃：把硅片放在氢氟酸溶液中浸泡，使其产生化学反应生成可溶性的络和物六氟硅酸，以去除扩散制结后在硅片表面形成的一层磷硅玻璃等离子刻蚀：扩散过程中硅片表面扩散上磷，PN结正面所收集到的电子会沿着边缘扩散有磷的区域流到PN结的背面造成短路，通常采用等离子刻蚀对太阳能电池周边的掺杂硅进行刻蚀去除电池边缘的PN结镀减反射膜：为了减少表面反射，提高电池的转换效率，采用PECVD设备沉积一层氮化硅减反射膜丝网印刷：采用丝网印刷机将预定图形压印在基板上，包括电池背面银铝浆印刷、电池背面铝浆印刷、电池正面银浆印刷快速烧结：烧结炉快速烧结，将有机树脂粘合剂燃烧掉，剩下纯粹由于玻璃质作用而密合在硅片上的银电极，当银电极和晶体硅在温度达到共晶温度时，晶体硅原子以一定的比例融入到熔融的银电极材料中去，从而形成上下电极的欧姆接触自动分选：自动分选机通过模拟太阳光谱光源，对电池片的相关电参数进行测量，根据测量结果将电池片进行分类31.PERC：镀膜开槽，市占率8%Al-BSF（铝背场电池）铝背层红外辐射光只有0-70%能被反射，产生光电损失，PERC发射极钝化和背面接触（PassivatedEmitterandRearCell）在电池背面附上一层钝化层(氧化铝或氧化硅)产生更多反射光增加额外电流减少光电损失，如果背面不用铝浆，改成局部铝栅线，可以简单升级成双面PERC结构，双面率可以达到7—8%PERC工艺增加两道工序：PECVD沉积背面钝化叠层（增强背面钝化反射能力）、背面钝化层激光开槽（打通钝化叠层形成电学通路）光电转换效率：年单晶PERC电池市占率达到8%，隆基已可将PERC电池效率提升至24.0%逼近理论极限效率24.%32.N型：N-PERT没有性价比优势前文原理中提到P型半导体和N型半导体紧密结合后形成P-N结，但是实际中在工艺上难以实现P型半导体和N型半导体的直接结合，P型硅片通常是在硅片端生产一片掺硼的硅片，然后通过扩散炉给P型硅片的表面进行扩散掺入磷，从而形成P-N结，N型则反之N型电池片转换效率高于P型，主要原因是因为P型电池片与电子的结合能力更强，如果把电子比作萝卜，空穴比作坑，则在P型硅片中坑很多，萝卜少，所以每当有电子流入正极很快就找到了坑，故而少子寿命低（复合速度快），而掺入磷的N型硅片体内有大量的自由电子，坑少萝卜多，此时则只能是来一个空穴占一个电子，其余电子则总处于自由激发态，少子寿命长（复合速度慢）N型电池片工艺更为复杂，因为磷与硅相溶性差，拉棒时磷分布不均，P型硅片掺硼元素，硼与硅分凝系数相当，分散均匀度更容易控制，因此P型电池相对于N型电池在工艺上更为简单，成本也较低N-PERT钝化发射极背表面全扩散电池（PassivatedEmitterRearTotally-diffusedCell）是一种全扩散背场钝化结构，通常PN结在正面，结构比较简单，是最早的N型电池，是天然的双面结构，双面率可以达到80—9%，N-PERT电池虽然实现了双面发电，但效率提升有限，与PERC电池相比没有性价比优势N-PERT工艺：增加正面硼扩散炉扩硼、背面离子注入机注入磷、背面PECVD钝化叠层，减少了激光开槽工艺33.TOPCon：扩硼注磷镀膜，原有产线改造年德国Fraunhofer研究所FrankFeldmann博士提出TOPCon隧穿氧化层钝化接触电池(TunnelOxidePassivatingContactsCell)，正面与N-PERT相同，在N型硅片背面沉积一层薄氧化硅，然后再沉积一层磷掺杂多晶硅薄膜，实现背面钝化接触，使多子电子隧穿进入多晶硅层同时阻挡少子空穴复合，进而电子在多晶硅层横向传输被金属收集，降低金属接触复合电流，提升开路电压和短路电流，提升电池转化效率，极限理论效率28.7%TOPCon增加3道工艺：正面硼扩散炉扩散硼、背面离子注入机注入磷、LPCVD/PECVD/PVD沉积TOPCon层34.HJT：制绒镀膜印刷，新建产线年日本三洋开发HIT晶体硅异质结电池（HeterojunctionwithIntrinsicThin-layer），但HIT被三洋注册为商标又被称为HJT、HDT、SHJ，同质结电池指同一种半导体材料构成P-N结，异质结是两种不同半导体材料构成异质结，兼具晶硅电池优异的光吸收性能和薄膜电池的钝化性能HJT在N型晶体硅片（c-Si）正反面沉积非晶硅薄膜（a-Si）形成异质PN结，再沉积双面TCO透明导电氧化物(TransparentConductiveOxide)薄膜、双面金属电极，结构对称，适合于双面发电PERC8道工艺，TOPCon10道工艺，HJT仅4道工序：清洗制绒、PECVD/Cat-CVD沉积非晶硅薄膜，PVD/RPD沉积TCO薄膜、丝网印刷3.IBC：与HIT结合HBC，与TOPCon结合TBCIBC叉指状背接触电池(InterdigitatedBackContactCell)在N型硅片前后表面均覆盖一层热氧化膜，以降低表面复合，在电池背面分别进行磷、硼局部扩散，形成指状交叉排列的PN结，正面无电极，无栅线遮光，能最大限度利用入射光，减少光学损失IBC与HIT结合可开发出HBC电池，效率达2.3%，与TOPCON结合可开发出TBC（POLO-IBC）电池，效率达2.1%IBC工艺流程复杂：掩膜法制备PN结、正反面钝化镀膜、金属化栅线等3.薄膜：能商业化的效率偏低，效率高的成本太高难以商业化薄膜型太阳能电池的发电原理与晶硅电池相同，但应用的是由硫化镉、砷化镓等非硅材料制备成的微米量级厚度的光伏材料，基本产品形态为一层薄膜，故得名薄膜电池薄膜电池可以制作成非平面构造，可与建筑物结合BIPV，还可以应用于汽车、手机、衣服、背包、帐篷等薄膜电池分为硅基薄膜、碲化镉（CdTe）、铜铟镓硒（CIGS）、III-V族系列砷化镓（GaAs）叠层电池、燃料敏化电池、有机化合物电池等，但能商业化的效率偏低，效率高的成本太高难以商业化碲化镉CdTe薄膜电池以p型CdTe和n型Cd的异质结，领军企业美国FirstSolar一度成为全球市值最高的太阳能电池企业，但效率偏低砷化镓GaAs薄膜电池成本较高，主要用于宇宙空间探测利用（太阳能电池帆板）等方面，美国Emcore、波音SpectroLab，中国航天科技上海空间电源研究所、中国电子18研究所等37.第三代：叠层钙钛矿、多带隙、热载流子太阳光光谱能量分布较宽，现有的任何一种半导体材料都只能吸收其中能量比其禁带宽度值高的光子，能量较小的光子透过电池被背电极金属吸收转变成热能，高能光子超出禁带宽度的多余能量使材料本身发热，因此单结太阳能电池其转换效率的理论极限只有30%左右第三代太阳电池有叠层、多带隙、热载流子等双/多结叠层电池（Tandem/Multi-junction）：将带隙不同的两个或多个子电池按带隙大小依次串联在一起，太阳光入射时高能量光子先被带隙大的子电池吸收,低能量光子被带隙小的子电池吸收，既增加了对低能量端光谱的吸收率，又降低了高能量光子的能量损失，可以显著提高电池效率，钙钛矿Perovskite和晶体硅构成的双结叠层电池理论效率0%，在实验室研发阶段钙钛矿电池以有机金属卤化物钙钛矿结构材料（如CH3NH3PbI3和CH3NH3PbBr3）作为吸光层，能隙1.eV，几百纳米厚的薄膜即可充分吸收nm以下的太阳光，成本仅为晶硅电池的十分之一多带隙太阳能电池：年Luque和Marti提出中间带太阳能电池模型，在半导体的禁带中引入一个能态密度小窄能带，使得在保持开路电压不变的情况下，增加亚带隙吸收，从而达到增加电流，提高转换效率的目的，极限效率3.1%，但技术也未成熟热载流子太阳能电池：光子多余能量赋予载流子较高的热能，这些“热载流子”在被激发后约几个皮秒的时间内碰撞达到一定的热平衡，经过几纳秒载流子晶格发生碰撞把能量传给晶格，几微秒后电子和空穴重新复合，热载流子电池要采用超晶格结构作为吸收层延缓载流子冷却提高对光的吸收，理论极限效率达到8.8%，还在理论研究阶段38.全球：通威、爱旭、隆基
年全国电池片产量.8GW，同比增长22.2%，前五企业占3.2%，年预计12GW年底通威产能42GW、爱旭40GW、隆基3GW、晶澳、天合、晶科、阿特斯等通威股份：电池龙头通威业务分为农业、光伏新能源两大板块，单晶硅产能8万吨，电池产能42GW，全球第一，年完成成都1GWHJT电池招标爱旭股份：电池第二爱旭专注电池环节，年成立，年下线第一片电池片，年量产PERC单晶电池片，年产量突破1GW，7年4.3GW，年40GW达全球第二，每一次电池片技术迭代都将带来一次扩产潮，并且重塑市场竞争格局，在最终的技术大一统来临之前，光伏电池片市场难以形成马太效应39.材料：高低温银浆，贺利氏、聚和、帝科
银浆是由高纯度(99.9%)金属银的微粒、玻璃氧化物、有机树脂、有机溶剂等所组成的一种机械混和物的粘稠状的浆料，分为导电银浆、电阻银浆、电熔银浆年全球银浆总耗量吨10亿元（正面吨背面83吨元/Kg测算），我国吨（正面吨背面吨）占82.1%太阳能电池使用的厚膜导体浆料分为：受光面正面银浆、背光面背面银浆、背面铝浆正面银浆形成受光面电极，汇集导出光生载流子，用在P型电池受光面，N型电池双面，分为高温（占98%）、低温（仅HIT使用）高温银浆通过烧结工艺（00°C及以上）将银粉、玻璃氧化物、其它溶剂按照一定比例混合而成，银粉作为导电功能相，含量及成本占比超过90%，玻璃体系为高温粘接相，有机体系影响印刷性能、印刷质量低温银浆：HJT前道工艺温度均不超过℃，高温银浆对HJT电池薄膜结构造成损伤，低温银浆成型固化温度低于20℃，采用银粉、树脂和其它溶剂按一定比例进行混合而成背面银浆：主要起粘连作用，对导电性能要求相对较低，用在P型电池背光面制备工艺：干混+湿混、研磨与分散、检测入库，关键在于配方、产品粒径成本：包括直接材料、直接人工、制造费用，银粉占成本超过9%银粉颗粒粒径越小，导电银浆的电阻率越小，一般粒度3～μm较好，相当于20目普通丝网网径的1/10～1/，使导电微粒顺利通过网孔，密集地沉积在承印物上，构成饱满的导电图形，全球日本DOWA（市占率超过0%）、美国AMES等，中国苏州思美特、宁波晶鑫、苏州银瑞等玻璃体系为高温粘接相，对银粉的烧结及银-硅欧姆接触的形成有决定作用，苏州晶银、无锡帝科、深圳首骋、匡宇科技等打破了依赖韩国进口高温银浆：全球杜邦、贺利氏、三星SDI、台湾硕禾，中国无锡帝科、苏州晶银、匡宇科技、常州聚和，深圳首骋、深赛尔、江苏欧耐尔、合众创能、浙江光达等低温银浆：全球日本京都电子ELEX（KE）、住友、昭荣、Nanotech、贺利氏、LG、Namics、美国汉高、杜邦等，中国帝科、天盛、晶银、聚和、首驰等正面银浆：年德国贺利氏全球第一，聚和股份销量00吨第二占23.43%，帝科股份第三吨占1.4%，硕禾电子第四，杜邦第五，苏州固锝第六14.01吨占7.2%背面银浆全部国产化，前五厂商儒兴、光达、大洲、正能、优乐A聚和股份：中国银浆龙头年成立，年3月18日科创板过会，年销量吨营收0亿，国内第一40.设备：前道捷佳伟创，后道迈为，激光帝尔
一代技术一代设备，新技术带来新设备
PREC生产线设备投资1.亿元/GW，前道设备龙头捷佳伟创，后道设备龙头迈为股份，激光设备龙头帝尔激光，其他北方华创、罗博特科等TopCon电池设备新建2亿元/GW，改造0.亿/GWHJT电池设备4亿元/GW，整线供应迈为股份、捷佳伟创、钧石能源三家，其他理想万里晖、拉普拉斯、江苏微导、北方华创、江苏杰太、金辰股份、中电48所等捷佳伟创：前道设备龙头捷佳伟创覆盖整条电池片设备产品链，前道市占率超过0%，镀膜等核心工艺环节高达70%以上，HIT实现整线突破，TOPCON电池LPCVD设备完成工艺调试，年营收40亿元迈为股份：后道设备龙头迈为股份覆盖整条电池片设备产品链，光伏丝网印刷生产线成套设备市占率70%，HJT电池核心设备PECVD、丝印自制，年营收30亿元帝尔激光：激光设备龙头帝尔激光设备包括PERC消融、SE掺杂、MWT、LIR激光修复、半片、叠瓦等，市占率高达8-90%，年营收10亿元最后发起一个投票，大家更看好电池哪个技术路线？
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