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行研君说
导语
根据中国光伏行业协会（CPIA）预计，2022 年全国电池片产量将超过261GW。
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来源：东亚前海证券 作者：段小虎、柴梦婷
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1.引言
随着全球碳中和进程不断加速，叠加光伏发电成本持续下行，经济性不断提升，光伏装机需求高增长确定性较强。我们将对光伏全产业链进行全面及深入的研究，旨在基于长期看好光伏产业链发展的情况下，作出深入研究并为投资者提供参考。光伏产业链上游包括原料高纯度多晶硅材料的生产，单晶硅和多晶硅的制造，硅片的生产；中游包括光伏电池片，光伏组件（玻璃、支架、胶膜等）以及逆变器环节；下游是光伏发电的应用端包括光伏电站和分布式发电。本篇报告将聚焦于光伏产业链中技术迭代速度最快的中游电池片环节，将 PERC、TOPCon、HJT、IBC电池的原理、结构、发展历史、工艺路线、转换效率、成本构成及各企业对各种类产能规划进行全面梳理。
2.电池片简介及发展趋势
2.1.定义：电池片是光伏发电核心部件，其技术路线和工艺水平直接影响光伏系统发电效率和使用寿命
电池片是光伏发电的核心部件，其技术路线和工艺水平直接影响光伏组件的发电效率和使用寿命。光伏电池片位于光伏产业链中游，是通过将单/多晶硅片加工处理得到的可以将太阳的光能转化为电能的半导体薄片。从电池片的必要性来看，光伏发电的原理（详细阐述见2.2 章节）来自于半导体的光电效应，通过光照使不均匀半导体或半导体与金属结合的不同部位之间产生电位差，是由光子（光波）转化为电子、光能量转化为电能量后形成电压和电流的过程。上游环节生产出来的硅片无法导电，经过加工处理得到的电池片决定了光伏组件的发电能力。
从电池片的重要性来看，发电效率和使用寿命是光伏组件价值的核心参数：1）电池片的转换效率是其受光照时的最大输出功率和入射光功率的比值，是直接影响光伏组件乃至整个光伏发电系统发电效率的核心因素。转换效率更高的电池片有着更高的输出功率，用其封装形成的光伏组件的整体功率也会更高；2）电池片生产工艺的缺陷往往会导致单体电池片的内阻不均匀从而极易产生热斑现象，热斑效应是指单体电池片被小的物体遮盖，导致其所产生的电流变小，成为负载，轻则烧毁电池片，严重的会引起整片电池组件的燃烧，对组件使用寿命危害非常大。从这个维度来看，电池片的生产工艺水平直接影响光伏组件的使用寿命。
电池片上游主要包括原材料硅片和核心辅材银浆。从光伏电池片产业链上游来看，电池片主要原材料为硅片，主要辅材为银浆、铝浆和化学试剂，主要动力为电力。1）硅片：硅片是电池片主要原材料，在硅料价格持续上涨的背景下，硅片环节凭借其良好的价格传导能力且相对稳定的竞争格局，维持较好盈利能力；2）银浆：银浆为电池片结构中的核心电极材料，目前光伏银浆需求随着光伏行业的发展持续增长，但受制于高技术门槛，海外厂商市场份额较大，尚有较大的国产替代空间。从电池片成本构成来看，根据 Solarzoom 数据，硅片占电池片成本最高，约为74-75%；银浆是除硅片外电池片成本占比第二高的材料，约占电池片总成本的8%，占电池片非硅成本的 33%，主要能源电力约占总成本的5%。
电池片下游为光伏组件制造商。从光伏电池片产业链下游来看，电池片主要与光伏玻璃、其他封装材料（背板、EVA 胶膜等）共同封装形成太阳能电池组件，组件再与逆变器、支架等共同构成光伏电站发电系统。从电池片占组件成本比重来看，根据华经产业研究院，2021 年电池片占组件成本比重为 50.1%，同比-6.7pct，主要系硅料硅片、组件端的双重压力和供需关系影响导致电池片价格承压下行，但电池片仍为光伏组件成本的最核心组成部分，也是光伏组件降本的主要途径。
2.2.原理：光生伏特效应与PN结
太阳能电池工作的原理为光生伏特效应和PN 结。光生伏特效应是指当物体受到光照时，物体内的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流的一种效应，该效应是光伏发电的原理。电池片基本构造是运用P型与N型半导体接合而成，半导体最基本的材料是“硅”，纯净的硅是不导电的，但可以通过在硅中掺杂来改变分子结构：在硅晶体中掺入硼元素，即可做成 P 型半导体；掺入磷元素，即可做成 N 型半导体。电池片发电即是利用P 型半导体有个空穴（P 型半导体少了一个带负电荷的电子，可视为多了一个正电荷），与 N 型半导体多了一个自由电子的电位差来产生电流，当太阳光照射到半导体的 PN 结时，就会在 PN 结的两边出现光生电压，进而将硅原子中的电子激发出来，产生电子和空穴的对流，这些电子和空穴均会受到内建电场影响，分别被 N 型及 P 型半导体吸引，而聚集在两端。在此情境下，将两端外部用电极连接起来，形成一个回路，即可产生电流，这就是太阳电池发电的原理。
2.3.分类：根据衬底硅片类型，分为P型电池片和N型电池片
从衬底类型来看，可将电池片分为 P 型电池片和N型电池片两类。P型电池原材料为 P 型硅片（掺杂硼），N 型电池原材料为N型硅片（掺杂磷）。P 型电池主要包括 BSF（常规铝背场电池）和PERC（钝化发射极和背面电池）；N 型电池目前较主流的技术为TOPCon（隧穿氧化层钝化接触）和 HJT（本征薄膜异质结）。N 型电池通过电子导电，且硼氧原子对造成的光致衰减较少，因此光电转换效率更高。从提效原理来看，可将电池技术分为减少电学损失和减少光学损失两类。从光照到电流的传输，电池中间会经历：1）光学损失（光在电池片前表面被反射、长波长光未被有效吸收、正面电极造成的阻挡等）；2）电学损失（电子和空穴在复合中心复合、金属电极和金属栅线与半导体接触产生额外电阻等），光学、电学损失都会减少光电转换效率。为了降低光学损失，可通过增加减反射层（沉积 SiNx 原理）、陷光层（制绒原理）或将正面金属栅线放到背面（IBC 电池原理）。为了降低电学损失，可进行场钝化或化学钝化处理，即通过提高硅片质量或改善金属和半导体接触方案来减小载流子的复合速率，提高载流子寿命，当前主要采用的方法有：选择性发射极（SE 技术原理）、氧化硅+多晶硅（TOPCon 电池隧穿层原理）、本征非晶硅+掺杂非晶硅（HJT 电池原理）或富氢介质膜（HJT电池本征富氢非晶硅膜原理）。
2.4.生产流程：主要概括为6 个流程，不同种类电池生产流程有所差异
传统电池片生产主要可以概括为 6 个步骤。从传统电池片制作工艺流程来看，主要可以概括为以下 6 个步骤：1）清洗与制绒，主要目的是去除吸附在硅片表面的各类污染物，去除硅片表面的切割损坏层；利用陷光原理降低电池表面反射率，绒面凹凸不平可以增加二次反射，改变光程及入射方式，增加光的吸收，提高短路电流，进而提升电池转换效率。其中，因单多晶晶体结构差异，考虑到效率因素，多晶硅电池用酸制绒，绒面为不规则凹凸面；单晶硅电池用碱制绒，绒面为规则类金字塔结构；
2）扩散，主要目的是形成 PN 结，该环节是电池片制造的心脏，使电池片具有功能。P 型硅片需要进行磷扩散，液态磷源三氯氧磷是当前磷扩散较主流的选择，主要原因系液态磷源扩散具有生产效率较高、稳定性好、制得 PN 结均匀平整及扩散层表面良好等优点；N 型硅片需要进行硼扩散，目前硼扩散液态源主要包括硼酸三甲酯、硼酸三丙酯及三溴化硼等，扩硼比扩磷工艺难度大，主要原因系硼在硅中固溶度较低，实际硼扩散温度需要达到 900~1100 摄氏度；
3）刻蚀（去磷硅玻璃），在扩散工序中，硅片侧边和背面边缘没有遮挡，也会扩散上磷，PN 结正面所收集的光生电子会沿边缘扩散有磷的区域流到 PN 结背面，从而造成短路，使电池片失效。刻蚀工序即是将硅片边缘带有磷的部分去除，避免 PN 结短路且造成并联电阻降低；
4）镀膜，主要起到 a）减反射作用，提高电池片对阳光的吸收，提高光生电流，从而提高转换效率；b）钝化作用，薄膜中的氢对电池表面的钝化降低了发射结的表面复合速率，提升开路电压，从而提高转换效率。光伏电池片中常见的镀膜技术包括 PECVD、LPCVD、PVD、ALD等；
5）丝网印刷，主要作用是为太阳能电池收集电流并制造电极，其中第一道背面银电极，第二道背面铝背场印刷和烘干，第三道正面银电极印刷；6）烧结，即把印刷到电池片表面的电极在高温下烧结，使电极和硅片本身形成欧姆接触，提高电池片开路电压和填充因子，使电极接触有电阻特性以达到高转换效率。
2.5.发展趋势：全国电池片产量高速增长，N型电池技术效率跃升新高度
2.5.1.全国电池片产量高速增长，近十年光伏电池片产量CAGR为 33.5%
全国电池片产量近十年来保持高速增长，CAGR高达33.5%。根据中国光伏行业协会（CPIA）发布的《中国光伏产业发展路线图（2021年版）》，全国电池片产量已经从 2011 年的 11GW 迅速增长到了2021 年的198GW，2021 年电池片产量同比增长 46.9%，近十年的CAGR 高达33.5%。根据中国光伏行业协会（CPIA）预计，2022 年全国电池片产量将超过261GW。
2.5.2.PERC 电池产能占比 91%，短期仍然占据主流地位
PERC 电池从传统铝背场电池升级改造而来，与BSF电池相比，光电转换效率更高。PERC (Passivated Emitter and Rear Cell) 电池，全称为“发射极和背面钝化电池”，是从常规铝背场电池AL-BSF 结构自然衍生而来。常规 BSF 电池由于背表面的金属铝膜层中的复合速度无法降至200cm/s以下，致使到达铝背层的红外辐射光只有 60%~70%能被反射，产生较多光电损失，因此在光电转换效率方面具有先天的局限性。而PERC技术通过在电池背面附上介质钝化层，采用背面点接触来代替整个全铝背场，可以较大程度减少这种光电损失，从而提升光伏电池1%左右的光电转换效率。仅从结构上来看，两者是较为相似的，PERC 电池仅比BSF 电池多一个背钝化层。形成背面钝化叠层使得 PERC 电池能在降低背表面复合速度的同时，提升背表面的光反射，提升了电池的转换效率。
从工艺步骤上来看，PERC 电池的生产流程较传统铝背场电池多出三个步骤：1）沉积背面钝化叠层氧化铝，氧化铝具备较高的电荷密度，可以形成场钝化，显著降低硅表面的界面态，使得背面的少数载流子复合速率降低；2）双面沉积氮化硅，正面的氮化硅和BSF 电池相同，一方面钝化硅表面，另一方面减少入射光的反射率，增加光吸收。背面的氮化硅能够通过厚度调节，将未吸收的光子反射回去，显著提高长波光的吸收。同时能对氧化铝层起到保护作用，增加热稳定性；3）激光开槽形成背面接触，将部分氧化铝和氮化硅薄膜打穿露出硅基体，使金属铝能透过背面的介质层和硅形成良好的欧姆接触。
从背面钝化技术工艺路线来看，PECVD+ALD 沉积氧化铝+氮化硅为主流技术路线。PERC 电池背面钝化技术工艺路线主要分为：1）PECVD沉积氧化铝+氮化硅；2）ALD 沉积氧化铝+氮化硅；3）沉积氮氧化硅。根据中国光伏行业协会，PECVD 沉积氧化铝+氮化硅和ALD沉积氧化铝+氮化硅为主流背面钝化工艺路线，2021 年市占率分别为55.4%和41.4%。从设备端上来看，PERC 电池产线相较于BSF 电池产线需增添两套设备。PERC 电池产线较常规 BSF 电池产线需要新增的设备包括：1）背面钝化处理（氧化铝+外覆氮化硅）；2）激光开槽设备，故从BSF产线升级到PERC 产线极为方便，这也是目前 PERC 电池能在光伏产业中得到大规模应用的重要原因之一。
PERC 电池的发展历程可以分为技术雏形期、萌芽期、高速成长期、爆发期四个阶段。1）1989-2006 年：PERC 技术出现并引起重视。PERC电池技术起点源于 1989 年澳洲新南威尔士大学的马丁·格林教授研究组公开的研究成果，实现了 22.8%的实验室效率。2006 年，PERC电池背面钝化的AlOx 介质膜的钝化作用引起重视，PERC 技术开始逐步走向产业化；
2）2012-2014 年：国内 PERC 电池步入萌芽期。2012 年由中电光伏牵头的国家 863 项目正式吹响了我国 PERC 电池产业化的号角，2013-2014年在诸多厂家与机构长期的技术储备和研究基础下国内PERC电池进入商业化和量产化的基础阶段，其中晶澳作为国内首家打通PERC产业链的企业，其批量试产效率达到 20.3%，并率先实现小批量生产；
3）2015-2017 年：国内 PERC 电池进入高速成长阶段。2015 年国内PERC电池产能达到世界首位，占全球 PERC 电池产能的35%。2016年由国家能源局实施的“光伏领跑者计划”引领国内PERC 电池正式开启产业化量产，平均效率达到 20.5%。2017 年是光伏电池市场份额发生转折的一年，常规电池的市场份额开始下降，国内 PERC 电池市场份额提升至15%，其产能已增至 28.9GW；
4）2018 年-至今：PERC 电池进入爆发期，成为市场主流。2019年PERC电池规模化量产加速，量产效率达 22.3%，产能占比超过50%，正式超过BSF 电池成为最主流的光伏电池技术。根据CPIA 预计，到2022年PERC电池量产效率将达 23.3%，产能占比将超过80%，市场份额仍将稳居第一。
PERC 量产效率逐年提升，最高效率由隆基创造，达到24.06%。从单晶和多晶电池角度来看，PERC 单晶电池效率始终高于PERC多晶电池，主要原因系 1）多晶硅在生产时晶片面积上有许多晶界和缺陷，这些晶界和缺陷不仅使少子平均寿命降低，且导致对入射光的吸收也有所降低；2）多晶硅生产中采用铸锭法，因此其中所含的 O 和C 原子等杂质浓度较高，从而影响光电转换效率，而单晶硅生产以多晶硅为原料，以直拉法为主要生产工艺，其中的 O 和 C 原子的杂质浓度较低；3）多晶硅生产工艺制约导致其PN 结厚度较薄，使得 PN 结对光子吸收有所降低。
从量产效率来看，PERC 电池量产效率呈现逐年增长趋势，PERC单晶电池量产效率由 2016 年的 20.5%提升至 2021 年的23.1%，据CPIA预计，2022 年 PERC 单晶电池量产效率将达 23.3%。从最高效率来看，截至目前，单晶双面 PERC 电池最高效率记录由隆基绿能于2019 年1 月创造，最高效率达 24.06%（CPVT 认证）。从理论极限效率来看，根据权威测试机构德国哈梅林太阳能研究所（ISFH）测算，P 型单晶硅PERC电池理论转换效率极限为 24.5%，P 型 PERC 电池量产效率已十分逼近理论极限效率，效率提升空间有限。
PERC 电池产能持续攀升，市占率遥遥领先成为主流。根据中国光伏行业协会，2015 年前，BSF 电池为主流产品，占据了90%的市场份额。2016年起，BSF 电池市占率呈现大幅下滑趋势，由2016 年的87.8%下滑至2021年的 5%，主要原因系 BSF 电池具有先天局限性，光电损失较大，而下游客户对高效电池片的需求日益显著致使 BSF 逐渐被淘汰；同期PERC电池市占率呈现大幅提升趋势，由 2016 年的 10.0%攀升至2021 年的91.2%，现已成为电池片主流产品。光电转换效率更高的N 型电池（主要包括TOPCon和 HJT 电池）成本较高，量产规模仍较小，2021 年市场占比约3%，较2020年基本持平。
2.5.3.N 型电池转换效率优势明显，将成为下一代技术方向
P 型电池接近转换效率极限，难以进一步发展。根据权威测试机构德国哈梅林太阳能研究所（ISFH）测算，P 型单晶硅PERC电池理论转换效率极限为 24.5%，2021 年 P 型 PERC 单晶电池量产效率已达到23.1%，同比提升 0.3pct，从效率方面来看，PERC 电池量产效率已逼近理论极限效率，很难再有大幅度的提升，并且未能彻底解决以P 型硅片为基底的电池富有硼氧对所产生的光至衰减现象，这些因素使得P 型晶体硅电池很难再取得进一步突破。
与 P 型电池片相比，N 型电池片在多方面都具备优势。N型技术主要的优势在于：1）P 型电池片少子是电子，N 型电池片少子是空穴，硅片中杂质对电子的捕获远大于空穴，根据普乐科技，在相同金属杂质污染的情况下，N 型电池片表面复合速率低，少子寿命比P 型电池片高1-2个数量级，能极大提升电池的开路电压，电池转换效率更高；2）N型电池片掺杂的元素为磷元素，晶体硅中硼含量极低，本质上削弱了硼氧对的影响，光致衰减效应接近于零；3）N 型电池片工作温度低，红外透过率高，电流通道多，根据摩尔光伏，N 型电池片工作温度较常规单玻组件低3-9℃，减小因温度提高带来的功率下降；4）N 型电池片弱光响应好，根据摩尔光伏，N型电池片在辐照强度低于 400W/m2 的阴雨天及早晚仍可发电。
N 型电池的转换效率更高，未来将成为光伏电池片的主流技术。根据中国光伏行业协会 CPIA 统计，2021 年，规模化生产的P 型单晶电池均采用 PERC 技术，平均转换效率达到 23.1%，较2020 年+ 0.3pct；采用PERC技术的多晶黑硅电池片转换效率达到 21.0%，较2020 年+0.2pct；N型TOPCon电池平均转换效率达到 24.0%，HJT 电池平均转换效率达到24.2%，两者较 2020 年均有较大提升，IBC 电池平均转换效率达到24.1%。未来随着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。
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