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光伏电池行业分析报告.docx

光伏电池行业分析报告

 

2018年光伏电池行业分析报告

 

2018年12月

光伏电池产能向高效电池倾斜,低成本+高效率推动PERC工艺成为扩产首选。

在光伏电池的技术路线演变过程中,效率升级是永恒的主题,目前P型单多晶PERC电池技术,N型单晶PERT/TOPCon电池技术,N型单晶HJT电池技术以及N型单晶IBC电池技术纷纷推出。

兼顾低成本和高效率两大特点,PERC工艺逐步取代传统常规电池,在新增产能中,PERC工艺电池逐渐成为主流和首选。

光伏电池片工艺设备占总投资规模的60%左右,因此,工艺进化将会带来设备的广泛需求。

高效光伏电池工艺进化叠加产能扩张,电池设备市场空间广阔。

根据我们的测算,在新增的光伏电池产能中,70%以上属于PERC工艺。

PERC工艺相对于传统的BSF工艺,增加了背面钝化和激光开槽两个环节,由此引发了对背面钝化膜的镀膜设备和激光设备的快速需求。

从工艺产线搭配来说,从BSF切换到PERC,可以选择新增产线和旧线改造,参考隆基等扩产案例,新增产线和旧线改造对设备的需求量分别是3-4亿/GW和2亿/GW左右。

根据我们的测算统计,2018-2019年是PERC产线新产能和旧线改造的重要年份,两年合计的设备市场需求量超过200亿元,市场空间广阔。

国产电池设备企业技术突破加快,国产化进程提速,海外光伏设备企业受冲击明显。

光伏设备领域,国产电池设备企业加快技术研发和积累,国产化替代加快,基本实现全产业链覆盖。

当前国产工艺设备核心龙头公司订单饱满,捷佳伟创和迈为股份2018年6月末在手订单规模分别是38.52亿元和21.9亿元,显示出企业经营积极向好。

同时,海外的光伏设备龙头企业受国产装备企业冲击较明显,来自中国区域的订单和收入在2017年有所放缓。

光伏电池设备行业当前景气度正在持续,工艺革新促使下游产能切换,先进高效的产能替换原有传统产能,设备企业将会显著受益。

同时,国产装备公司产业化能力加快,对海外设备替代加快。

一、光伏电池产能向高效电池路线倾斜

1、光伏电池的技术路线演变

根据光伏行业协会数据,在1980年至今的近40年产业化历程中,晶硅太阳能电池一直占据70%以上的市场份额,到2013年晶体硅太阳能电池占比升至90%。

晶硅电池能够在40年时间内始终保持竞争优势,最重要的原因是不断地进行技术升级,对电池工艺持续改进、创新,提升光电转换效率,降低电池成本。

效率升级是光伏电池发展的永恒主题。

光伏行业主要选择的高效电池技术路线有:

P型单多晶PERC电池技术,N型单晶PERT/TOPCon电池技术,N型单晶HJT电池技术以及N型单晶IBC电池技术。

PERC技术使得电池产业化效率跨越式提升,助力整体光伏行业的竞争力提升,电池效率升级进一步加速光伏平价上网进程。

(1)全铝背场太阳能电池(AL-BSF)

是目前光伏产业普遍采用的结构。

根据CPIA数据,单晶硅BSF电池转换效率达到19.8%,多晶效率达到18.8%。

近年来产业内对BSF电池进行了工艺上的改进,包括选择性发射区技术(SE)、金刚线切割硅片技术的改进、二次印刷等丝网印刷技术的发展,运用半片、叠瓦、双玻结构进行组件封装等。

但效率改进幅度不大,BSF电池逐渐失去竞争优势。

(2)钝化发射区及背接触电池(PERC)

主要针对BSF背表面载流子符合较高的缺点,使用Al2O3或SiON在电池背面钝化,并开窗口与背面铝电池接触。

目前PERC单晶效率已达到23.95%,根据集邦新能源网报道,多晶PERC效率记录也达到了22.04%,相对于BSF电池转换效率大幅提升,且只需在原来生产线上加入两个设备,即氧化铝镀膜设备和激光开槽设备,目前国内厂家纷纷积极布局PERC电池,晶科、天合光能、晶澳、隆基、通威等电池生产龙头企业均积极投资扩产。

(3)金属卷绕穿孔太阳能电池(MWT)

将前表面的主栅线通过激光打孔技术,引导到背表面,在孔中注入金属电极。

根据EnergyTrend数据,经过工艺优化后的MWT电池效率较常规电池高0.3%~0.5%,目前阿特斯、天威新能源、晶澳和南京日托等公司都宣称实现了量产。

此外,MWT能够很好兼容黑硅、PERC等电池技术。

(4)插指状背接触背结电池(IBC)

在背面形成插指状交叉P型N型发射极,在前表面制备扩散前场,由美国SunPower实现产业化,目前SunPower研发的POLO-IBC电池转换效率达到26.1%。

但这种电池的成本较高,目前主要应用在聚光跟踪系统等特殊场合。

(5)异质结太阳能电池(HJT)

最大的特点是具有非常高的开压,能达到750MV,工艺相对简单,能耗低,兼具低成本潜力和高效率优势,目前最高效率为25.6%。

(6)TopCon电池技术

既可以改善电池表面钝化又可以促进多数载流子传输,进而提升电池的开路电压和填充因子。

目前已经实现产业化,相比较于PERL电池结构,TopCon结构无须背面开孔和对准,也无须额外增加局部掺杂工艺,极大地简化了电池生产工艺,目前中来的TopCon电池产线等达到22.5%。

根据摩尔光伏报道,英利在Panda电池基础上引入TOPCon技术,电池效率可以达到21.6%,开路电压达到676MV,填充因子达到80%,将极大的降低N型电池的单瓦成本,提升其竞争力。

2、光伏电池加速扩产,PERC电池产能扩张正当时

近三年来,全球光伏电池产能增长突飞猛进,连续三年增速超25%。

整体光伏行业近年来处于景气周期,装机需求扩张拉动产业链中游电池环节迅速发展。

2017年全球太阳能电池产能达115GW,增长31%。

根据国家统计局数据,17年国内电池产量约95GW,较16年增长18GW。

PERC电池逐步取代BSF电池,成为市场主流选择。

根据2017年中国光伏产业发展路线图统计,17年国内PERC电池产量占比已经达到15%,预计在2018年市占率达到35%,从19年开始,PERC电池占比将超过BSF电池,达到52.2%,到2022年占比将达到64%。

根据EnergyTrend统计及预测,2017年全球PERC电池产能达到42.4GW,到2021年,PERC电池产能将扩张到61.6GW,四年内增长幅度达19.1GW。

同时,PERC装机量也将有较大幅度提升,从2017年内地15.5GW增长到2021年的53.6GW,年均复合增长率达37%。

从2017-2018年公司扩产计划来看,PERC电池为最主要的扩产方向。

我们统计了光伏电池生产公司在2018年及以后投产的电池扩产计划,在近93GW的晶硅电池产能扩张中,PERC电池产能达66.29GW,占比71.43%,预计未来2-3年全部投产后,PERC产能将会出现大幅增长。

从龙头企业的扩产计划来看,隆基乐叶年产5GW单晶电池项目,通威股份在成都和合肥正在建立和计划建立的10GW高效晶硅电池项目均采用PERC技术。

此外,浙江爱旭8GW高效电池项目、平煤隆基4GW高效单晶电池片项目都是采用PERC技术,PERC成为市场的主流选择。

3、低成本+高效率,PERC工艺成为首选

(1)PERC电池效率提升明显,效率记录持续刷新突破

随着市场的需求升级和行业的压力,单晶硅片和硅料成本下降,P-PERC取代传统电池,其成本更低,性能更好,被市场广泛接受,是一种主流的高效电池,兼容现有产线,效率提升明显。

根据CPIA数据,PERC电池生产在仅需原有产线上增加钝化膜和激光开孔两个环节,单晶效率提升即可提升0.8%-1%,多晶效率可提升0.5-0.8%,且可结合其他工艺带来更大效率提升。

(2)在目前主流的晶硅电池中,单晶PERC电池效率占据绝对优势

根据索比光伏网统计,目前单晶PERC电池的量产效率为21.3%,而常规单晶电池量产效率在20%左右,提升1.3个pct。

同时单晶PERC电池组件功率也提升明显。

72片单晶PERC组件功率能达到360W,一举提升20W,从而大幅降低光伏系统度电成本。

(3)成本压缩与效率升级,双核优势推动PERC产业化进程

相比于其他高效电池,PERC电池生产线可直接在常规BSF电池生产线上进行升级,仅需增加两套设备,成本大大缩减。

此外,近年来隆基、晶科等国内主要电池生产商持续刷新PERC电池效率的世界记录。

从2017年开始,隆基的PERC电池效率达到22.71%,2017年内底晶科将记录刷新到23.45%,2018年5月,晶科PERC效率一举突破到23.95%。

随着PERC电池效率不断刷新记录,N型PERT电池和HIT电池市场份额受到挤压,根据EnergyTrend测算,N型高效电池的转换效率至少需要超过PERC电池1%,才能在市场上保持竞争力。

这意味着N型电池效率需要达到25%,对于目前的技术来说仍然存在不少障碍。

未来3-5年单晶PERC电池仍然具有较大市场空间,N型高效电池的产业化进程或将推迟。

产业化主流光伏电池技术发展的黄金法则:

成本第一,效率第二。

对比PERC高效技术路线,如何大幅降成本是HJT发展的主要问题。

异质结技术拥有高达25.6%的最高转换效率与可量产性,未能实现大规模应用的主要原因是成本太高。

根据光伏前沿介绍,生产HJT电池的高成本来自于多个方面:

(1)需购买高成本的真空设备,一条100MW的HJT技术路线电池生产线,PECVD+RPD设备投资需花费一亿元。

(2)真空设备无法实现单多晶兼容,需要重新购买配套设备。

(3)需使用N型硅片,成本上较P型硅片高5-8%。

(4)银浆用量为传统3-4倍,ITO与IWO为贵金属,成本较高。

IBC电池P-N结和电极全部在背面,完全消除了前表面栅线的遮光,量产平均效率可达23%。

但IBC电池对硅片质量要求高,且制程相对复杂,因此成本高昂。

IBC电池成本是普通电池成本的2倍左右,这制约了IBC电池的大规模应用。

和高效IBC、HJT、Topcon等技术相比,PERC电池产业化效率接近,但具有更好的成本优势。

根据中来股份公告,单晶PERC电池片的量产效率大约在21.3%左右,国家电投200MW的IBC电池投产计划显示,IBC电池片量产效率能够达到23%。

此外,根据光伏变迁报道,HJT的平均转换效率在22%左右。

总体来看,产业化效率较为接近。

但从成本来看,PERC单晶组件的成本约为0.27美元/W,但HJT电池的组件成本高达0.6-0.7美元/W左右。

根据国家电投200MW的IBC电池项目的公告显示,IBC组件的量产成本约为0.34美元/W。

总体来看,PERC电池具备明显的成本优势。

此外,目前常规多晶、单晶BSF电池片的量产效率分别在18.8%、20.1%左右,价格分别为0.95元/W和1元/W。

而单晶PERC电池片的转换效率能够达到21.3%,电池片价格仅为1.1元/W,相对常规单晶BSF电池仅增长0.1元/W。

与之相比,尽管TopCon电池片的转换效率较高,可达到22.8%左右,但其价格提升更加明显,根据中来股份的募投项目公告显示,其即将量产的TopCon电池预计定价1.77元/W,增长约0.8元/W。

二、光伏电池工艺变化和工艺设备需求弹性测算

1、高效晶硅电池工艺介绍

对比高效晶硅电池的工艺流程,PERC电池的优势在于工艺较为简单,且可在常规晶硅电池生产线上直接进行升级改造。

与常规单晶电池工艺相比,PERC电池制造仅增加两道额外工序,即沉积背面钝化叠层和背面钝化层激光开槽,此外,基于化学湿式蚀刻的单面蚀刻和边缘隔离也需要针对背面抛光略微调整,整个过程可直接在常规电池生产线上进行改进升级。

与PERC的简单工艺和低成本相比,N-PERT工艺并不复杂,但问题在于扩散过程中需要硼扩,增加额外设备离子注入机。

而离子注入机成本较高,维护、材料成本都较高。

对比其他高效太阳能电池的工艺特点,HIT电池的优势在于超高的转换效率,低制程温度以及可向薄型化发展。

但同样地,HIT电池的生产成本也是其难以大规模量产的主要原因。

异质结电池实现低成本量产的途径在于设备国产化,提高产能和良品率,使用廉价晶硅材料等。

IBC电池将正负两极金属接触均移到电池片背面,从工艺制程来看,IBC电池的工艺流程比传统晶硅电池复杂很多。

IBC电池有两个关键工艺:

一是利用局部掺杂法和两步单独的扩散过程在电池背面形成交叉排列的P+区和N+区和金属化接触。

二是丝网印刷的对准精度和印刷重复性问题。

因此,IBC电池对工艺和硅片的要求非常高,成本高昂。

根据索比光伏网报道,IBC电池成本是普通电池成本的2倍左右,高昂的成本制约了IBC电池的产业化应用。

2、重点设备的工艺梳理

钝化膜沉积设备和开槽设备(可采用激光或者化学刻蚀方法)是需要在传统电池产线上额外增加的加工设备。

另外,对于较少应用的激光边缘隔离处理工艺生产线,需要增加一个化学湿式工作台进行背面抛光。

根据隆基乐叶公告,5GW单晶PERC电池生产线需要采购41台背钝化设备,29台激光开槽设备。

据此计算,单位GW单晶PERC高效电池需额外采购的设备为约8台钝化设备和6台激光开槽设备,对应设备投资额分别约为1亿元和1700万元。

根据隆基乐叶宁夏年产5GW高效单晶PERC电池募投项目说明,设备工具购置费用占总投资占比的81%,自动化设备、PECVD、背钝化设备、印刷设备分别占比总设备工具购置费用的22%,9%,22和12%,是PERC电池生产线项目的关键设备。

根据公告,目前PERC电池所用管式PECVD已经国产化,单价仅为426万元/台。

背钝化和印刷线设备价格最高,分别为1300万元/台和1200万元/台。

(1)PECVD:

镀膜技术发展助力转换效率提升

根据索比光伏网测算,光在硅表面的发射损失率高达35%,减反射膜可以极大提高电池片对太阳光的利用率,提高光生电流密度,进而提高转换效率。

同时膜中的氢对于电池片表面的钝化降低了发射结的表面复合速率,减小了暗电流,提升了开路电压,提高了光电转换效率。

PECVD系统是一组利用平行板镀膜舟和高频等离子激发器的系列发生器。

镀膜技术是整个光伏行业比较重视的技术,太阳能电池的效率提升可以通过镀膜技术的提升来实现。

生产PERC电池的技术关键是背部氧化铝钝化膜的沉积。

钝化可以通过两种互补的方法完成,一是通过大幅削减某一电极载流子到达表层,即场效应钝化,而是通过饱和悬空键来弱化介面电子态,即化学钝化。

由于具有优秀的抗反射性,氮化硅成为了常规电池正面的首选钝化材料。

而有关背面钝化,BSF电池是将金属铝在烧结过程中与硅结合形成P型区,作为背电场,常规光伏电池忽略了电池背面的化学钝化效应。

氧化铝是背钝化的首选材料,由于其沉积后稳定性高,场效应钝化质量和化学钝化质量均位于前列,是目前制备PERC电池的主要背钝化材料。

量产适用的沉积工艺包括等离子体增强化学气相沉积(PECVD)、原子层沉积(ALD)、APCVD、溅射等。

PECVD对PERC处理的优势在于,同一设备中可完成沉积氧化铝和封盖氮化硅二合一,并且沉积速率高,产能高,不会出现很多饶度。

设备自动化、成熟度高。

目前PERC电池的氧化铝沉积技术主要使用PECVD系统。

目前PECVD的设备的最先进技术主要由MeyerBurger提供,其研发的新产品可以三合一完成背面钝化叠层沉积及正面发射极钝化膜沉积,并且硅片吞吐量最大,达6000片/小时。

ALD的优势在于氧化铝膜是在原子层级上一层一层生成的,从而具有很好的阶梯覆盖性,沉积膜质好。

这种沉积方法对工艺温度的要求较低,温度在100-350℃之间即可。

不足之处在于,ALD方法的沉积率较低,速率较低,且只能进行独立钝化膜制备,而PECVD设备可集背面钝化与正面发射极钝化于一身。

(2)丝网印刷:

电池片生产工艺的管理核心

在PERC、HIT、TopCon等不同技术路线的光伏电池制作流程中,丝网印刷是不可或缺的一步。

丝网印刷设备是光伏电池的后道工序,包括硅片的印刷、烧结和测试分选等环节,对电池片进行最后的效率测试。

利用丝网印刷,将含有金属的导电浆料透过丝网网孔压印在硅片上形成电极,将光生电子导出电池,将金属浆料印在已形成P-N结的晶硅硅片上,分别印刷背面银铝浆,形成背电极,有利于组件的焊接。

第二道印刷铝浆进行掺杂,形成P+层。

铝背场减少载流子复合,收集正电荷,增大开压。

第三道印刷银浆,有利于电荷的收集,形成上电极。

在工艺上,丝网印刷对设备的要求较为精细。

工作台的平面度应小于0.02mm,工作台重复定位精度应达到0.01mm,同时要求电池片的平面度小于0.02mm,表面粗糙度低于1.6。

丝网印刷设备主要的供应商为国内企业迈为股份,根据中国光伏行业协会的统计,2016年迈为股份在国内太阳能电池丝网印刷设备领域的增量市场份额已跃居首位。

主要竞争对手包括国内东莞科隆威、美国的应用材料、德国的ASYS、英国的DEK等。

从设备产能来看,迈为股份领先行业水平。

根据各公司资料显示,迈为股份单轨印刷产能达2750片/小时,双规产能为5500片/小时。

ASYS、DEK、东莞科隆威的产能分别为1440片/小时、1700片/小时和1800片/小时。

(3)扩散:

太阳能电池片的心脏

扩散是利用POCl3磷扩散制PN结的过程,把硅片放在管式扩散炉的石英容器内,在高温下使用氮气将掺杂物质带入石英容器进行反应。

经过一定时间,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PN结。

扩散工艺的好坏直接影响电池片效率。

通常的公司都会采取0或1的管控措施,电池片经过扩散工序,对于扩散有差异电池片直接返工(制绒之前)。

3、PERC产能扩张加速,电池设备市场空间广阔

根据目前各公司公布的投产计划,我们预计未来2年是PERC发展的鼎盛时期。

从投产计划来看,2017-2018年公布的70%以上的新增产线计划采用PERC技术。

电池行业龙头企业隆基乐叶宁夏银川年产5GW高效电池项目,通威的合肥、成都10GW高效电池项目、阿特斯江苏盐城3GW等电池项目均采用背钝化技术生产PERC电池。

根据各公司公布的投产计划和投产时间,经统计,全球太阳能电池在2018-2019年将会实现大幅增长,2018年全球太阳能电池产能预计达到150GW,新增产能预计34.7GW。

2019年产能达到186GW,新增产能预计36.3GW。

2020年新增产能在15GW左右,但需要注意的是,15GW仅是根据2017-2018公布的企业扩产计划测算得来,预计2019-2020年企业将会继续开展新的扩产计划,2020年电池产能将远超15GW。

PERC产能增长包括两个部分,新产线建立和旧产线改造。

我们统计了2017-18年电池生产企业的扩产计划,PERC产能总计66.29GW,占比71.43%。

其中8.25GW的PERC产能已经在2017年投产完毕,在2018-2020年投产的产能共计58.04GW。

根据企业公布的预计投产时间,其中26.84GW的PERC电池在2018年投产,2019年预计投产20.43GW,2020年为10.78GW。

(1)PERC发展正当时,产线升级便利性加速PERC产能增长

PERC电池具有“双核优势”,兼具低成本和高效率,能够在原生产线上直接改造的便利性使得PERC电池未来取代传统的BSF电池成为必然趋势,PERC替代常规太阳能电池的趋势已十分明显。

根据PV-Tech报道,隆基乐叶将把所有产线升级为PERC电池。

据此,我们假设三年内可以全部完成一半旧产线的改造升级(我们做了相应测算,旧线改造比例提高10个百分点,对2018-2020年的市场容量分别形成的边际增量为4.75/7.92/3.17亿元,实质影响较小),18-20年分别改造2017年旧产线一半产能的30%,50%,20%。

由此测算,预计2018年PERC电池产能总计约73.5GW,增长38.7GW。

2019年产能突破百吉瓦达到113.8GW,2020年达到132.5GW,占全球电池总产能的65.87%。

此外,除PERC外的其他高效电池也在积极扩产,包括IBC、HDT、HIT、TopCon电池等,预计在2019年达到其他N型电池的投产高峰,2019年新增产能为15.88GW。

(2)PERC扩产进行时,光伏电池设备市场空间广阔

根据企业公布的电池扩产计划计算出光伏电池产能增长情况后,根据单位GW所用设备投资额可以计算出光伏电池设备的市场空间。

根据隆基股份的5GW产能规划表(前文表2),单GW的普通电池生产线升级为PERC电池所需设备投资额约为2亿元(新增背钝化设备和激光开槽设备及相应的配套自动化设备),单位GW的新建PERC电池生产线设备投资额约为4亿元。

此外,其他高效电池单位投资额为4亿元/GW。

据此,我们测算出2018-2020年光伏电池设备市场空间分别为159亿元、185亿元和76亿元。

同样地,需要注意的是,2020年的产能是仅根据2017-2018的投产计划测算,2019-2020预计企业会公布新的投产计划,因此2020年的设备市场空间预计远超76亿元。

从细分设备来看,根据隆基乐叶的5GW的PERC电池生产投资结构,测算出每种设备的价值量占比。

据此,2019年PECVD、扩散炉设备、自动化设备、制绒刻蚀设备、激光设备、丝网印刷设备的市场空间分别为55、9、37、18、13、28亿元。

注:

细分设备投资占比来自于隆基乐叶5GWPERC电池项目设备投资结构测算

三、光伏设备国产化进程加速

1、光伏国产设备产业链全覆盖

国产设备覆盖光伏全产业链,技术实现赶超,服务、成本优势明显。

我国光伏设备企业已基本具备太阳能电池制造整线装备能力,根据仪商报道,光伏设备国产化率目前已达到70%以上,组件生产线国产化率达100%,铸锭、切片、电池生产线国产化率达80%-90%,设备成本降低70%,光伏组件产品下降90%。

预计到2020年,光伏设备国产化率将达到90%。

光伏产业链上游,即硅料生长环节已被晶盛机电多家国内公司覆盖,单晶炉已全面实现国产化并实现批量出口,国产多晶硅铸锭炉在温度控制、高效铸锭工艺等技术上已达到国际水平,性价比优势明显,占据了国内大部分市场。

电池片生产环节,制绒清洗、湿法、扩散等设备基本可由国内企业提供,如捷佳伟创等。

根据公司招股书,捷佳伟创全自动制绒酸洗综合设备、多晶链式湿法刻蚀设备等自主研发的国产设备产能分别能达到6500PCS/H,8000PCS/H,技术水平位于国际前列,已充分满足国内电池生产需求。

管式PECVD设备已基本实现国产化,ALD设备主要由江苏微导提供。

目前,板式PECVD因其较高的技术要求,仍然主要有MeyerBurger提供,国内企业短期内难以赶超。

高效太阳能电池激光加工设备主要国内企业帝尔激光提供,根据公司招股书显示,2017年公司发货的PERC太阳能电池激光加工设备对应产能约10.7GW,市占率约为76%,激光设备已经实现国产化。

市场降本压力推进国产化进程加速。

平价上网目标带来光伏各产业链环节降本压力。

从成本来看,国产设备价格大约在国外设备的一半左右,常规电池生产线的国产设备投资在2-2.5亿元/GW左右,而采用进口设备投资需4-5亿元/GW。

国际上PERC用的平板PECVD设备价格约为1600万元每台,国内管式PECVD价格仅426万元每台。

此外,国内设备相对于国外设备的另一大优势在于,国内厂商能够提供更好的服务,可24小时解决设备问题。

紧跟光伏高效技术路线,国产设备研发投入加速。

针对PERC、HIT、MWT等高效电池,国内厂商加速进行设备研发。

捷佳伟创目前在研的项目包括管式LPCVD、高产能扩散炉、自动化设备、清洗设备等,为光伏高效电池的发展提供技术和设备支持。

2、国产设备技术突破,订单饱满,进口替代加速

(1)管式PECVD设备技术国际领先

目前,国内管式PECVD设备与进口设备并存,但份额逐步扩大。

捷佳伟创、北方华创、中电48所等国内主要PECVD设备提供商持续进行技术升

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