HJT被认为是终极技术路线,而TOPcon只是一种过渡技术,但未来两年会大量取代PERC电池,进入应用爆发期,即使到2030年也将呈现增长趋势。

当前,在全球践行“碳中和”这个时代命题的背景下,光伏行业经历一段衰退时期之后,正进入稳步增长期。最近,虽然随着全球的货币政策开始转向,整体市场偏弱,但新能源板块走势强劲,其中光伏概念尤其耀眼。

从年初以来,TOPcon电池的高速发展,到前段时间金刚玻璃、华晟、迈为等公布的HJT性能、降本超预期,再到最近TOPcon又被热炒,甚至出现了钧达股份这个1年10倍光伏股,光伏板块掀起了一波TOPCon电池的大风潮。

如今,TOPCon电池的市场热度也在价格优势上体现出来。8月8日,中来股份(300393)首次对外公示了其电池的价格。据悉,单晶N型TOPCon电池单价仅比PERC电池高1.1-1.4毛钱。未来几年,在技术性能、成本单价双重优势下,TOPCon电池将成为继PERC电池之后主流光伏电池之一。

什么是TOPCon电池? 

什么是TOPCon电池呢?TOPCon电池全名为隧穿氧化层钝化接触太阳能电池(Tunnel Oxide Passivated Contact solar cell,TOPcon)。据悉,该电池是2013年在第28届欧洲PVSEC光伏大会上德国Fraunhofer太阳能研究所首次提出的一种新型钝化接触太阳能电池。

在进一步介绍TOPCon电池之前,我们先了解一下P型电池与N型电池。

大家都知道,光伏产业链主要包括硅料、硅片、电池、组件,其中的技术路线是在硅片和电池片环节开始分化的。其中,硅片分P型硅片和N型硅片。

硅是4价元素,外围有4个电子,如果把5价元素,比如磷,以某种形式(比如加热)与纯硅结合,这样的“硅”就更容易逸出一些电子,表现出负电特性,因而称作N型硅(Negative,负电)。反之,如果把3价元素,比如硼,与硅结合,则会多出一些空穴,表现出正电特性,称作P型硅(Positive,正电)。

当P型硅和N型硅结合在一起,中间一段区域便形成了PN结,而PN结具有单向导电性。当太阳光照射在PN结上,便会产生光生伏特效应,半导体两边就会形成电势差。

因此,制做硅片其实就是做PN结,就是把P型硅和N型硅结合的过程。目前主要方法有两种:一是在P型硅的基础上扩散磷元素,形成n+/p型结构称作P型硅片;二是在N型硅的基础上注入硼元素,形成p+/n型结构称作N型硅片。

然而,P型硅片与N型硅片最大的区别在于:P型硅片制作工艺简单,成本较低,但电池效率也低;N型硅片寿命长,电池效率可以做得更高,工艺却更加复杂。比如,最早的BSF、PERC电池都是基于P型硅片的电池技术,而TOPcon和HJT是基于N型硅片的电池技术。

实际上,两种P型与N型电池发电原理无本质差异,都是依据PN结进行光生载流子分离,但是由于扩散B元素和P元素在实际工艺上差异、以及晶体硅内部缺陷对光照的响应和对少子的捕获能力差异,导致二者在实际工业生产中面临不同的挑战和发展前景。

目前,BSF电池技术已经落后,最高效率20.3%,基本已被市场淘汰。根据ISFH测算,PERC电池的理论极限效率为24.5%,为目前主流光伏电池技术。根据CPIA数据,2020年新建量产产线仍以PERC电池为主,PERC电池市场占比达到86.4%。不过,目前PERC电池转换效率已经接近24.5%的极限效率,使电池厂商研发重心已经逐步转向新的技术,比如TOPCon、HJT电池。

而目前TOPCon电池最高效率为25.4%,根据ISFH测算,TOPCon电池的理论极限效率为28.7%。

这里特别提一下,在光伏发电效率中,1%的效率提升就已经是非常大的进步了。

因此,对于N型电池作为未来光伏发光的主要发展方向,已经形成行业共识。而以TOPCon和HJT技术为代表的光伏电池也已经成为产业投资和市场关注的重点。

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为何TOPcon电池火爆? 

一个技术的普及应用,除了更优秀的性能,还必须具有成本优势。在技术性能上,理论上来说,N型电池具有转换效率高、双面率高、温度系数低、无光衰、弱光效应好、载流子寿命更长等优点,发展潜力也更大。

而在成本优势上,根据中来股份公示的N型TOPCon电池价格:单晶N型TOPCon电池182双面报价为1.40元/瓦;单晶N型TOPCon电池210双面为1.41元/瓦。而据集邦新能源网的数据,7月27日-8月3日PERC系列的电池产品方面:单晶M6电池片主流成交价为1.27元/瓦左右,M10电池片主流成交价为1.29元/瓦左右,G12电池片主流成交价为1.27元/瓦左右。因此,按照电池片的最新价格,中来股份的单价仅比PERC电池高1.1-1.4毛钱,两种电池价格已经非常接近了。

近日,中来股份还透露,其正在推进TOPCon3.0技术研发,主要通过栅线设置提升浆料印刷能力来降低银耗,同时通过寻找银浆替代品减少银耗,以实现非硅成本与PERC基本持平。

与此同时,TOPCon技术路线还有改造优势。据悉,TOPCon可以与现有PERC产线兼容,在面临大规模PERC产线设备资产折旧计提压力下,升级改造拉长设备使用周期,叠加SMBB技术和银浆国产化推进,在提效降本方面的优势更加明显,是未来2-3年具备性价比路线选择。

有专业人士分析,TOPCon相比PERC工艺流程增加2-3步,但可在PERC工艺技术上延伸。目前TOPCon所使用的PECVD均为管式。TOPCon仅需在PERC产线基础上增加硼扩、LPCVD和湿法刻蚀机台,新增投资额约5000万元/GW。

目前,光伏电池厂商已进入产业化扩大阶段,其中最主要的方向之一就是TOPCon技术路线。根据长城国瑞证券统计,截至2022年6月15日,国内已建成的TOPCon产能为30.55GW,在建/待建产能为178.8GW。在建产能中,预计有62.30GW产能将在年内投产。

根据相关信息,当前TOPCon产能最大的企业是晶科能源,为16GW左右,同时年底前还将有更多新产能投入。排名第二的是中来股份,其泰州与山西基地拥有7.6GW TOPCon产能,年底还规划有4GW产能;其他规模较大的TOPCon厂商包括捷泰科技、江苏润阳、晶澳科技等。

当然,TOPCon电池加速扩产,也将带动相关设备和材料的需求。目前TOPCon关键设备已经实现国产化,拉普拉斯、捷佳伟创、北方华创、48所均有相关设备生产,将进一步加快TOPCon电池的大规模产业化。

TOPcon电池是一种过渡技术

尽管TOPCon已经成为下一代光伏电池的重要技术路线之一,但HJT、IBC电池是更具有发展潜力的技术路线。

据悉,1990年,日本三洋公司首次开发出异质结太阳能电池——HJT电池技术,当时转换效率仅为14.5%,但经过三十多年的发展,目前HJT量产效率已经超过24%。HJT技术通过在PN结之间插入本征非晶硅作为缓冲层,对晶体硅表面起到良好的钝化作用,很好地解决了常规电池掺杂层和衬底接触区域的高度载流子复合损失问题,实现较高的少子寿命和开路电压。

HJT独特结构使其具备工艺结构简单、工艺温度低、效率高、无电致诱导衰减等优点,也是N型电池的代表性技术之一。2021年10月28日,经世界公认权威测试机构测试,隆基股份硅基异质结电池(HJT)再次取得重大突破,转换效率高达26.3%。

虽然TOPCon理论转化效率很高,且与PERC产线高度兼容,但HJT作为平台型技术,未来通过与IBC、钙钛矿等技术叠加组成叠层电池,转换效率极限值进一步提升,比如HJT+钙钛矿叠层电池理论效率可达43%!同时,从工艺路线来看,HJT其路线步骤只有TOPCon电池的一半,大大提高了工艺速度。因此,HJT的想象空间更大。

不过,HJT的这种技术想象力,落实到量产环节中仍需时日,主要挑战体现在:一是技术本身难度大;二是HJT与PERC工艺路线完全不同,只能新投产线,且HJT与主流的PERC生产设备不兼容,投资成本更高;三是虽然工艺步骤更少,但PECVD等制膜和真空设备的投入会给企业带来较高的转换成本,特别是相关设备国产化程度低。

而另一种技术路线IBC(交叉指式背接触电池)也具有非常大的发展潜力。IBC技术路线是将p+掺杂区域和n+掺杂区域均放置在电池背面(非受光面)的太阳能电池,IBC电池的受光面无任何金属电极遮挡,从而有效增加电池的短路电流,使电池的能量转化效率得到提高,不过设计难度也更高。

同时,要指出的是,IBC是一种独特的赋能技术路线,不限于用在哪种电池上。比如,隆基股份在推的HPBC,就是在P型电池的基础上使用IBC技术,做出来的电池会比较美观。IBC也可以与TOPcon、HJT电池相结合,形成TBC、HBC电池,电池效率还有望继续提升。

综合上述,HJT被认为是终极技术路线,而TOPcon只是一种过渡技术,但未来两年会大量取代PERC电池,进入应用爆发期,即使到2030年也将呈现增长趋势。根据中国光伏行业协会(CPIA)统计,2021年PERC电池片市场占比约91%,异质结、TOPCon合计占比不足3%。预计到2025年,以异质结和TOPCon为代表的超高效电池技术占比合计将接近40%,到2030年有望超过75%。

参考资料:1. 深度解析TOPCon电池技术

                 2.干货又来了:关于HJT和TOPcon,聊聊光伏电池片技术

          

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