一路向 N,光伏 HJT 电池制造引发新变革

文:编辑部2022年第4期

  在国家公布的《2 0 3 0 年前“碳达峰”行动方案》(以下简称:行动方案)中对“碳达峰”阶段的工作做出了总体部署, 聚焦“ 十四五” 和“ 十五五” 两个“ 碳达峰”关键期,《行动方案》提出了提高非化石能源消费比重、提升能源利用效率、降低二氧化碳排放水平等方面的主要目标,其中,发展太阳能光伏发电,成为了推动能源结构绿色转型的必然路径,中国光伏产业也迎来了新一轮的发展黄金期。而在2022年2月底爆发的俄乌局部军事冲突,不但瞬间改变了世界格局,而且也令全球能源危机再次突显,特别是欧洲各国为了摆脱对俄罗斯天然气的依赖,纷纷加速了能源独立进程,推动欧洲光伏市场在未来两年内的景气度持续提升,这些对于已经走在世界光伏产业前列的中国企业来讲是一次难得的发展机遇。

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  HJT带来新一轮技术革命

  从2001年无锡尚德成立、正式拉开光伏产业化的幕布开始,中国光伏产业走过了二十多年的发展历程,一跃成为了全球领导者。对于这一新兴产业来说,技术不断在竞争中向前发展, 一直都是其主旋律, 也是其充满未知可能性的魅力所在。2021 年起,光伏电池技术的又一次革命已然拉来了序幕,那就是——N型电池进一步占据市场主力,尤其是本征薄膜异质结电池(Heterojunction Technology,HJT电池)掀起了光伏行业的新一轮技术变革。

  根据中国光伏行业协会在2022年初发布的《中国光伏产业发展路线图,2021年版》指出,2021 年中国规模化生产的P型单晶电池均采用 PERC 技术(发射极钝化和背面接触),平均转换效率达到 23.1%; N型TOPCon 电池(隧穿氧化层钝化接触)平均转换效率达到24%,异质结HJT电池平均转换效率达到24. 2%, 两者较2020年均有了较大提升,IBC电池(交指式背接触)平均转换效率达到 24 .1%,今后随着在生产成本的降低及良率的提升,N型电池将会是电池技术的主要发展方向之一。

  进入今年年中,一则好消息更是大大鼓励了所有行业人士。6月23日,隆基绿能宣布,经德国哈梅林太阳能研究所(ISFH)测试, 其HJT M6 全尺寸电池(274.4c㎡)的光电转换效率达到2 6.5 0%,创造了大尺寸单结晶硅光伏电池效率新的世界纪录。这一数值要高于其另一类N型电池TopCon在去年所测得的光电转换效率25 .0 2%。提高光电转换效率始终是这一行业的首要要务,这也意味着,HJT电池与Topcon电池之间的竞争之势已逐渐形成。

  据中国光伏行业协会的统计,2021年,国内新建量产产线仍以PERC电池产线为主,随着国内户用项目的产品需求开始转向高效产品, 原本对常规多晶产品需求较高的海外市场也将转向高效产品,2021 年常规电池片(BSF电池)的市场占比下降至 5%;N型电池(主要包括异质结HJT电池和 TOPCon 电池)由于相对成本较高,量产规模仍较少,目前市场占比约为3%,而从2022 年开始,这两种N型电池的市场占比将逐步大幅扩张(如图1所示)。而据业界预计,到2023年HJT电池的市场占比约为6.5%,到2025 年会上升到14 %,2025 年之后, HJT电池的市场份额有可能会超过TOPCon电池。

  在产业界,2 0 2 2 年以来,华晟、金刚玻璃、印度REC、华润电力、隆基等厂家均已公告进行GW级HJT电池扩产的消息,据不完全统计,预计2022年行业内HJT 电池招标有望达到20-30GW,扩产已成为了业内主要的发展趋势之一。

  

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  图 1 2021-2030 年各种电池技术市场占比变化趋势

  (资料来源:中国光伏行业协会,《中国光伏产业发展路线图,2021 年版》)

  工艺变化与设备需求

  尽管现阶段HJT电池的制造成本仍然偏高,但它之所以能够被市场看好、且具备后来居上的潜力,与其大为简化的生产工艺,以及明确的降本增效路径紧密相关。

  TOPCon电池生产工艺繁杂,是其最大的弱点,在PERC电池设备的基础上,TOPCon电池生产多了3个环节,共约12 道工序,主要是增加了制结这一环节,而且目前技术路线并不统一,多条技术路线并行。与之相比, HJT电池的工艺步骤减少到仅为四步,分别为:制绒清洗、非晶硅薄膜沉积、TCO薄膜沉积、电极金属化(如图2所示)。理论上而言,工艺步骤越少,则越能够提高产品良率以及节约生产成本,因此,这也是HJT电池在生产制造上的明显优势所在,虽然HJT相比TOPCon在短期内的成本较高,但中长期的降本空间较大。

  那么,目前HJT电池的制造成本究竟高在哪里呢?首先,是设备成本较高,HJT电池的制造设备基本与现有设备不兼容,厂商需要重新投资建设;其次,是因为银浆成本高,HJT电池需要用低温银浆,而PERC和TOPCon用的都是高温银浆, 由于低温银浆生产工艺难度高, 同时需要冷链运输,价格通常较常规银浆高10-20%。根据测算,按照单GW设备投资来看,当前HJT总投资额约为4亿元左右,均要高于PERC和TOPCon电池的制造成本。

  而从另一角度来看,H JT 电池生产设备的市场“真空”也为处于产业中上游的设备供应厂商以及核心零部件厂家提供了一片广阔的发展天地。HJT电池设备市场作为光伏行业的重要组成部分,根据业内预计,2025年HJT 设备市场空间将超过400亿元,五年内的年平均增长率约为80%左右。

  HJT电池四大步骤对应的设备分别为清洗设备、CVD 设备、PVD设备和丝网印刷设备。行业普遍认为,在金属化层面降低异质结HJT电池成本主要有两大途径:一是采用银包铜浆料,压缩原材料使用成本;二是采用新型印刷技术,大幅降低银浆耗量,同时随着栅线宽度变窄的需求增加,也会出现新的电池片栅线制备技术,例如采用一种特殊的转移印刷工艺,并配合高精度CCD视觉系统,可以更加精准地将银浆从薄膜转移到电池片上,做到更细的栅线,也更节省银浆用量。

  另外,异质结H JT 电池要完全实现其技术本身的价值, 也需要更加适配的低成本、稳定高效、高精度的硅片,且硅片的厚度大幅下降(约130 μm),这些都对加工设备提出了更高的要求,例如,切割电池片时产生的微隐裂,有可能会造成HJT电池较高的功率损失等等。

  

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  图 2 三种光伏电池产业化之比较

  (资料来源:大海微蓝 东方财富)

  直驱技术与光伏电池组件设备

  目前,国内光伏电池、组件生产线设备主要包括焊接机、划片机、层压机、EL测试仪、IV测试仪、装框机、打胶机、硅片上下料机械手等等(如图3所示),基本上已经全部实现国产化,并且随着组件设备的性能、单台产能以及组件功率的不断提升,组件生产线的投资成本也将持续下降(见图4)。

  直线电机在光伏硅料、硅片、电池片、组件、系统等环节都有应用,而直线电机集成技术的提升也将帮助光伏产业大幅提高产能、降低成本。例如,克洛诺斯创新开发的“小蓝”动力导轨为新型集成式直线电机的代表产品, 其运用集成的结构,减少了配件,并且能做到比丝杆精度高、速度快,价格降低20%,性能上和直线电机一样,价格比传统直线电机低一半。“小蓝”动力导轨可应用于电池片串焊设备、叠片焊接设备、端焊设备、太阳能电池搬运设备、太阳能电池划线设备、太阳能电池全自动检测设备、太阳能单晶硅蚀刻设备等多种生产场景中,以提升自动化设备的性能优势,协助厂商更加高效地利用工厂场地面积增加产量、降低成本,完全可满足厂商对设备高性价比的要求。

  在光伏电池片制造的过程中,需要DDR直驱马达搭载转盘,大负载、高速旋转运行并定位,同时对精度和稳定性都有很高的要求。Akribis雅科贝思的DDR电机以高扭矩密度为设计理念,用更紧凑的结构产生更大的峰值扭矩和持续扭矩,同时采用最佳的转动惯量设计,扭矩密度和转动惯量的比率极佳,适合高扭矩应用;此外,系统采用高分辨率光栅编码器,从而保障运行的高重复精度,帮助客户完成90°或180°精准定位,且符合国际安全准则, 具有较高的运动稳定性。目前雅科贝思的DDR电机已经被成熟地应用在166、182和210硅晶片上。

  电池丝网印刷机是将银浆、铝浆通过压力印刷在电池片表面,形成电池正负极的工艺生产设备,在常温车间中,采用智赢直线电机多动子、长行程的型材结构,运动速度得到大幅提升,可提高印刷效率16%;非接触的结构形式满足对于无尘环境的需求;磁栅补偿高精度结构,满足了机器视觉对于运动的精准性要求,提高了设备生产的良率;智赢双边直线电机模组体积小,性能稳定,组装便捷。另外,东佑达生产的滑台模组系列产品有螺杆驱动、皮带驱动、无尘系列模块三种形式,可供立即组装使用, 适用于水平、垂直移载应用,也可组合为多轴型式,满足客户高精度、高荷重的需求,目前被大量运用在硅片上料机、光伏整线等多种自动化系统集成方案中,协助客户降低光伏制造成本,增强企业的盈利能力。

  

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图 3 光伏行业产业链及各环节所需设备图

  (数据来源:公开资料整理,东莞证劵研究所)

  

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  图 4 2021-2030 年中国光伏组件生产线投资成本变化趋势

  (单位:万元 /MW,资料来源:中国光伏行业协会)

  光伏H JT 电池制造工艺的演进,同样对直驱技术等产品的开发带来了一定的影响。HJT电池对设备的要求较高,尤其是其中的非晶硅薄膜沉积、TCO膜沉积是影响电池效率和稳定性的两道核心工艺。为了保证镀膜质量的高品质,对于产线的真空度、洁净度、膜厚度、压力、沉积速率等多项指标的要求都十分严苛,因此PECVD非晶硅薄膜沉积设备和TCO膜沉积设备(RPD/PVD)是生产HJT电池的关键设备,这些都是包括直驱技术、机器视觉技术、高精度运动定位平台、激光加工、机器人等可以大展拳脚的领域。

  例如,激光转印技术可以提升电池转换效率,降低银浆耗量,提升生产良率,是新型光伏电池金属化工艺中降本提效的重要技术路径之一;激光修复技术可提升HJT 电池转换效率,降低暗衰减,更具有稳定性;激光无损划片采用应力切割原理, 利用激光对材料进行局部快速加热,诱发其内应力的产生,当内应力足够大的时候让硅片自动裂开,该技术可实现对电池片非常完整的切割,横截面更好,在机械载荷上有更好的表现。伴随激光加工技术的大规模应用,将光学、机械、电气自动化、软件等学科技术相结合成为了市场开发的热点之一,针对光伏电池市场和客户需求开发标准化和定制化的包含激光表面处理、切割、焊接等一项或多项功能的自动化成套解决方案,使激光加工工艺完全整合至自动化设备或流水线中,实现设备或生产线更高水平的自动化、智能化作业,从而达到精准、高效、可控的生产目标。

  对于光伏行业来说,发电成本依赖于太阳能电池的光电转换效率,业内人士预计,随着微晶、银包铜、铜电镀、SMBB、激光转印等技术取得突破及硅片薄片化、大尺寸化的推进,HJT电池成本有望在2023年低于PERC电池, 若微晶+ 薄硅片+ 少银方案推进顺利,  其组件成本仍有较大的下降空间。面对新一轮的技术革新,HJT电池技术的演变所带来的产业链厂商变化,是目前市场关注的焦点,同时沿着HJT技术路线,钙钛矿能与HJT电池组成叠层电池的研发探索也正在逐步展开之中。中国光伏产业的技术跃升之路远未停止, 作为上游设备零配件环节的直驱技术供应厂商而言, 需要紧跟产业发展步伐, 与上下游配合厂商结为更加紧密的合作伙伴关系, 及时掌握生产制造工艺需求, 深入钻研、持续提升产品品质, 满足设备厂商的各样性能指标要求, 与中国光伏产业一道屹立于世界之巅。





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