光伏设备行业分析报告.docx

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光伏设备行业分析报告

2019年光伏设备行业分析报告

2019年1月

光伏电池行业正经历由技术升级带来的高端产能扩产，催生大量的设备需求。

看好拥有充足技术储备和优秀研发实力的设备企业。

光伏电池是典型“技术驱动型”行业，光伏设备是技术升级的基础。

光伏电池行业面临着激烈的竞争环境，因此提升效率和降低成本是企业不断的追求，而背后最核心的推动力就是技术的升级迭代。

光伏设备是技术升级的基础，一方面，只有配套上设备的升级换代并实现设备造价的降低，新工艺下的电池片才能实现产业化生产；另一方面，设备的技术突破往往又会倒逼下游厂商进行产线升级，以求在激烈竞争中保持领先。

一代技术，一代设备，每一轮电池产能的升级往往带来新一轮的设备投资浪潮，而在技术更迭频繁、快速的市场里，设备有望迎来持续的需求。

PERC在众多路线中脱颖而出，带来旺盛的设备投资需求。

PERC技术由于能以最低的成本提升电池效率，正逐步升级为主流技术，并带来旺盛的扩产需求。

根据《中国光伏产业发展路线图》，PERC市场份额有望从2018年的35%上升到2025年的64%。

PVInfoLink测算2018年底PERC产能为63GW，而根据我们自下而上的产线统计，我们估计2019~20年投产的PERC产能将超过50GW。

我们测算2019年PERC关键设备市场空间为103亿元，同比增长24%。

光伏设备国产化率超过70%，本土诞生了众多优秀设备企业。

新技术工艺刚萌芽的时候，往往面临着设备依赖进口，成本居高不下的阻力，难以实现产业化生产。

因此，国产化率的提升是推动产业升级的重要推手。

目前，我国光伏设备的国产化率已经超过70%，捷佳伟创和迈为股份在前道设备（制绒清洗、扩散炉、刻蚀机和PECVD）和后道设备（丝网印刷）领域分别占据了行业龙头的地位，而江苏微导在ALD设备领域也占据大量份额。

N型电池有望成为下一代技术主流，但产业化还需时日。

1）N型电池具备更大效率提升潜力。

N型硅片由于少子寿命长、光致衰退问题小，拥有更大的效率提升潜力。

但由于其制造工艺复杂、成本较高，因此占比还较低。

2）N型电池的份额有望逐步提升。

电池制造商和设备企业为了提前布局下一代技术，纷纷把目光投向了N型电池，EnergyTrend预计2021年N型电池市占率将超过10%。

3）设备投入较高，目前较为依赖进口。

我们估算N型电池的单位设备投入额较P型高出50%以上，同时设备国产化率仍低。

但考虑其发展潜力，技术上做领先布局的设备企业有望赢得先机。

一、光伏电池迎来“技术革命”，产能结构迈向高端化

1、光伏电池是典型的“技术驱动型”行业

技术的升级迭代是光伏电池发展的主要推动力。

光伏产业链按顺序来说包括硅料制造，硅片生产、电池片生产、光伏组件制造和最终的光伏发电系统。

每个产业链环节都有数十家企业参与竞争，因此提升效率和降低成本是企业永恒的追求，而背后最核心的推动力就是技术的升级迭代。

2、光伏发电的基本原理

产生电流通常需要两个条件，首先要产生自有电子，其次自有电子要定向移动。

►自由电子的生成：

通过掺杂微量元素增加载流子浓度。

纯净的、不含其它杂质的半导体称为本征半导体，在室温下，本征半导体共价键中的价电子获得足够的能量，挣脱共价键成为自由电子，在原位留下一个空穴，这种产生电子-空穴对的现象称为本征激发。

本征半导体中因而也存在两种载流子，分别是带负电的自由电子和带正电的空穴。

由于本征材料是电中性的，所以自由电子数量等于空穴的数量。

虽然本征半导体中有两种载流子，但是本征载子浓度很低，导电能力差，为了增加载流子的浓度，往往在本征半导体中掺入微量元素。

1）N型半导体是指掺入五价元素的半导体，如磷和砷。

掺入五价元素后，五价原子中只有4个价电子能与周围4个硅原子中的价电子形成共价键，而多余的1个价电子因无共价键束缚而成为自由电子。

在N型半导体中，自由电子是多数载流子（多子），主要由掺杂元素提供，而空穴是少数载流子，一般由热激发而成。

2）P型半导体是指掺入三价元素的半导体，如硼和镓。

因为三价原子在与硅原子形成共价键时，缺少一个价电子而在共价键中形成一个空穴。

在P型半导体中，空穴是多数载流子，主要由掺杂元素提供，而自由电子是少数载流子，由热激发提供。

自由电子的定向移动：

P-N结形成内电场，在光照激发下自由电子在电场力作用下定向移动。

1）内建电场的形成。

如果将N型和P型半导体紧密接触，则在接触面就会形成特殊的薄层，称之为P-N结。

由于P型半导体空穴浓度较高，而N型半导体自由电子浓度较高，于是在交界处会产生扩散运动，N型区的自由电子向P型扩散，与P型区的空穴进行复合，N型区中失去电子的磷元素就带上了正电，P型区的硼元素得到电子则带上负电，因此在交界处形成了内建电场。

在电场作用下，电子又会从P区向N区进行漂移，当扩散运动和漂移运动达到平衡时，交界处形成的一定厚度的空间电荷区称之为P-N结。

2）光照的激发和内建电场的综合作用下，自由电子发生定向移动，产生电流。

当光照射在P-N结上时，P-N结甚至其他地方的电子受到激发成为自由电子，这些自由电子在内建电场的作用下开始定向移动，从而产生电流。

3、传统光伏电池的制备流程

我们以传统Al-BSF（铝背场）电池的生产流程为例，介绍光伏电池生产的一般流程，主要包括7道环节：

制绒清洗、扩散制结、刻蚀和去磷硅玻璃、制备减反射膜、丝网印刷、烧结和分选。

►清洗：

切割后的硅片表面通常存在一层10~20微米厚的切割损伤层，需要通过碱性溶液或酸性溶液进行去除。

经过清洗后的硅片，进入制绒环节。

制绒方法包括机械刻槽法、反应离子刻蚀法和化学腐蚀法，生产中大多采用化学腐蚀法，即通过加入特定化学溶液腐蚀硅片表面，形成不规则的绒面。

单晶硅通常用碱性溶液进行处理，形成倒金字塔的绒面；多晶硅通常用酸性溶液处理，在表面形成孔状绒面。

►扩散制结：

在扩散制结环节，硅片被放在扩散炉的石英容器内，在高温下使用氮气将三氯氧磷溶液（POCl3）带入容器内进行反应，掺杂物质通过硅原子之间的空隙向硅片内部渗透扩散，形成P-N结。

►刻蚀：

由于在扩散制结环节中，硅片的表面和边缘也会被扩散上磷，导致P-N结的正面收集到的电子会沿着边缘有磷的区域流到P-N结的背面，导致短路。

因而，扩散制结后的硅片须经过刻蚀，借此除去硅片边缘的P-N结和磷硅玻璃层，防止出现短路的情况。

►减反射膜沉积：

经以上处理后的硅片，往往会经过PECVD设备（等离子体增强化学气相沉积）的处理，在硅片表面形成一层减反射膜来减少太阳光的反射。

一般光伏电池完成以上非金属工艺环节后，将直接进入金属工艺环节，也就是印刷电极和烧结。

►电极印刷：

电极印刷的工艺包括丝网印刷、激光刻槽埋栅、蒸镀工艺等，其中丝网印刷工艺是成本最低也是应用最为普遍的一种。

►烧结：

完成电极印刷后须进行烧结，以促使金属电极与半导体衬底接触时形成欧姆接触。

为形成良好的欧姆接触，在电极印刷环节，需要注意硅片、浆料、掺杂浓度等工艺的优化，烧结环节则需要对烧结温度、烧结时间和升降温速率加强把控。

►分选：

完成烧结后的电池片需经分选机的检测，达到分档的目的。

4、光伏电池技术的改进都是围绕着转换效率的提升进行的

评价光伏电池性能优劣最重要的指标是转换效率，也就是光伏电池的最大输出功率和太阳入射光功率的比值。

要理解电池技术的改进路线，就必须先了解影响转换效率的因素有哪些，因为一切的技术改进都是为了解决效率损失问题。

影响光伏电池转换效率的因素主要包括光学损失和电学损失。

►光学损失：

1）太阳光被反射造成的损失。

当太阳光照射到电池表面时，一部分光被硅片吸收，但还有相当一部分光被反射，造成了效率的损失。

因此减少太阳光反射可以提高电池效率；2）太阳光被遮挡造成的损失。

电池的表面有金属栅线电极，会遮蔽部分阳光造成损失，普通光伏电池的正面遮光面积一般在7%左右。

因此减少遮光损失可以提高效率并且降低银浆的用量。

►电学损失：

1）少子寿命。

少子寿命指代少子的平均生存时间，也就是光生电子和空穴从在半导体中产生到其消失的时间。

对于光伏电池来说，少子寿命越长，电池效率越高。

减少电子和空穴的复合可以增加少子的寿命。

2）电阻较大。

电池内部的电阻包括串联电阻和并联电阻。

串联电阻为硅片基体电阻、扩散方块电阻、栅线电阻和烧结后的接触电阻之和。

其中栅线电阻主要靠丝网印刷参数决定，主要是栅线的清晰度和高宽比，栅线越宽，电阻越小，但遮光面积也越大。

接触电阻主要看烧结工艺。

此外，考虑到一定的光照下产生的电流是一定的，但如果电池的边缘刻蚀没刻断或者体内有杂质形成复合中心的话，就会引起电流的分流，导致穿过P-N结的电流减少，相当于与结区并联了一个电阻，并联电阻越大，电池效率越高。

如果出现以下情况，并联电阻会变小，如硅片杂质过多，硅片边缘刻蚀不彻底，背面铝浆印刷过程中污染了正面，导致P-N结烧穿等。

针对以上影响因素，电池生产发明了诸多提高电池效率的方法。

►如何减少光学损失：

1）制绒。

通过在硅表面形式绒面，对光进行多次反射来减少反射造成的损失；2）减反射膜。

减反射膜可以使入射光的各级反射相互间干涉从而互相抵消，在实际生产中发生在制绒环节之后，通常使用PECVD设备在硅片表面沉积一层氮化硅，不仅可以减少反射，同时可以减少表面的载流子复合，提高少子寿命。

3）改进栅线形状。

由于金属栅线不能透光，因此应该尽量减少金属栅线的遮挡，所以一般将金属栅做成指状或者网状。

►如何减少电学损失：

1）增加少子寿命：

可以通过沉积钝化层、建立背电场和浅结设计来实现。

钝化层可以减少载流子的复合，一般用氧化硅、原子氢等进行钝化。

而背电场则是通过在电池背面建立内电场，从而减少复合率，提高开路电压。

在P性电池的工艺下，一般在背面印刷铝背场，背面高掺杂铝的区域与P型基区构成P+-P高低结，产生内建电场，方向与P-N结方向一致，从而使载流子受到加速，减少了复合。

此外，浅结设计，也就是指通过低浓度掺杂来实现P-N结深小于0.3微米，可以显著降低硅片表面的载流子复合。

2）降低电阻。

如在金属栅线和硅片的接触面进行高浓度掺杂来降低接触电阻，从而降低串联电阻（形成欧姆接触）。

在实际操作中，减少某一因素的影响往往带来另一影响因子的作用，因此需要进行综合权衡考虑，比如SE技术（选择发射极）就是在金属栅线和硅片的接触面进行高浓度掺杂来降低接触电阻，但同时在其他地方进行浅结设计，也就是进行低浓度掺杂来降低复合，提高少子寿命。

二、PERC在众多技术路线中脱颖而出

大部分光伏电池技术的改进，都是为了解决以上的问题。

而哪种技术路线能够脱颖而出，一方面取决于其对电池效率提升的程度，另一方面取决于其经济性，是否具有量产条件，配套的设备和材料是否具备经济性。

1、单晶VS多晶：

金刚线切片技术带来单晶硅革命

单晶硅性能好于多晶硅。

1）单晶硅的少子寿命较多晶硅长。

由于多晶硅中间有大量的晶界，包含了很多缺陷，因此内部有很多复合中心，增加了载流子的复合率，减少了少子寿命。

粗略估算，单晶硅的少子寿命比多晶硅要高出数十倍。

2）多晶硅更易碎。

由于单晶硅的最大弯曲程度高于多晶硅，因此在电池生产和组件安装运输过程中不易破碎。

并且在长期冷热交替过程中不容易发生裂痕。

3）单晶的弱光效应更好。

在低辐照的地方，单晶硅对光子的吸收能力好于多晶。

4）单晶电池工作时温度更低。

由于单晶硅没有晶界，内阻更小，因此在工作时比多晶更低，功率损失更小。

单晶硅成本高于多晶硅，因此实际应用上仍然以多晶硅为主。

多晶硅的制造比单晶硅要更加容易，其生长更简便，可以直接切成方形，材料损耗小，对硅原料的容忍度也比单晶硅更高，因此单片成本要比单晶硅更低。

金刚线切割技术带来单晶硅成本的大幅下降。

金刚线切割技术因为高效环保、切片更薄等优点，迅速成为单晶硅切割的主流技术。

但是金刚线切割多晶硅却会在上面留下损伤，影响多晶硅的制绒。

2016年，单晶硅片制造商基本都采用了金刚线切割，并因此大幅的降低