PERC 电池工艺介绍。与常规单晶电池工艺相比,PERC 单晶电 池主要增加了背面钝化和激光打孔两道工艺。背面钝化工艺在硅片背面沉积三氧化二铝和氮化硅,对硅片背面进行钝化。三氧化二铝由于 具备较高的电荷密度,可以对 P 型表面提供良好的钝化;氮化硅主要作用是保护背部钝化膜,并保证电池背面的光学性能。激光打孔工艺是利用一定脉冲宽度的激光去除部分覆盖在电池背面的钝化层和氮化硅覆盖层,以使丝网印刷的铝浆可以与电池背面的硅片形成有效接 触,从而使光生电流可以通过 Al 背场导出。
1、市场空间:PERC 大量扩产,带来订单
高效电池产能依然处于紧平衡的状态。光伏要实现平价上网,要光伏各个环节的降本增效,主要通过各个环节的技术创新进步。在电池片环节,我们认为高效电池是未来的方向,目前光伏高效电池主流技术包括 PERC 和 N 型技术。
我们来观察高效电池是否能满足下游的需求。以 2018 年来看,PERC+N 型合计产能为 72GW,不能满足全球 103GW 的装机需求。到 2020年 PERC+N 型合计产能为 132GW,依然处于一个紧平衡的状态。如果按照 2021 年,中国实现平价上网,全球光伏新增装机有望达到 200GW,高效电池产能远远不能满足需求,未来 PERC+N 型的产能会持续扩充中。
PERC 由于只需要在传统电池工艺基础上增加两个工序即可提升效率,升级方便,是目前高效电池的主流技术。国内以通威、爱旭、隆基等电池片龙头企业依然在大幅度扩产 PERC 产能。2020 年前 PERC 依然是电池产能的扩产主流。
参考隆基宁夏乐叶年产 5GW 的 PERC 电池项目设备工具购置费 用明细。我们可以看到 1GW 的 PERC 电池需要的设备投资额大约为 4.97 亿元,其中工艺设备为 3.53 亿元,检测设备为 0.26 亿元,自动 化设备 1.08 亿元。单独来看,背钝化投资额最大,1GW 投资额为 1.08 亿元;管式 PECVD 第二,1GW 需要设备数量为 11 台,投资额 0.46 亿元;制绒 1GW 需要设备 5 台,投资额 0.34 亿元;印刷线 1G 需要 设备 5 台,投资额为 0.58 亿元。其他设备包括扩散、激光掺杂、刻 蚀、退火、激光开槽、印刷线、烧结炉等。
2019-2021 年 PERC 电池设备累计市场空间为 315 亿元。参考宁夏隆基乐叶年产 5GW 的 PERC 电池项目设备工具购置费用明细,暂不考虑设备降价的因素,测算得出到 2019-2021 年 PERC 电池设备累计市场空间为 315 亿元。其中工艺设备市场空间为 221 亿元,检测设备市场空间为 16 亿元,自动化设备市场空间为 63 亿元。
具体到细分设备,2019-2021 年市场空间:制绒设备 21.4 亿元、扩散设备 13.9 亿元、刻蚀设备 9.5 亿元,退火设备 13.9 亿元,背钝化设备 63 亿元、PECVD 设备 28.4 亿元、印刷线 36.5 亿元、激光开槽设备 10.7 亿元、激光掺杂设备 10.1 亿元。
2、PERC 电池设备企业国内竞争力强,预计未来设备格局 将趋于稳定
目前国内设备企业在各个 PERC 电池设备都具备了竞争力,与国外企业的技术相比不相上下甚至超过。下面对重点设备进行介绍。
1)制绒设备
制绒是利用碱对单晶硅表面的各向异性腐蚀,工业生产中一般采 用成本较低的氢氧化钠或氢氧化钾稀溶液来制备绒面。利用 Si 在稀 NaOH 溶液中的各向异性腐蚀,在硅片表面形成 3-6 微米的金字塔结 构。理想的绒面效果:金字塔大小均匀,覆盖整个表面,相邻金字塔之间没有空隙,具有较低的表面反射率。单晶硅的绒面制备,能够有效地提高电池转换效率,由于市场的变化,对绒面质量的要求也变的越来越高。如何做出高质量的绒面,不仅仅是工艺技术的问题,还需要与优异的设备进行配合,而设备的相关性能也决定了工艺的效果。目前制绒设备技术指标控制严格的包括:工艺温度、溶液均匀性、产能等。为了保证反应条件的一致性,温控精度要在±1 ℃;溶液均匀性和产能也是重要的考察点。目前国内外的设备厂家包括 RENA、施密德、捷佳伟创、晶洲装备等。国内以捷佳伟创为代表的设备企业在产能、控温精度、自动配补液精度等方面的性能已经达到世界先进水平。
2)扩散设备
扩散主要是电池片制 PN 结的过程,扩散工艺的好坏直接影响电 池片效率的多少。扩散的方法包括:三氯氧磷(POCl3)液态源扩散、 喷涂磷酸水溶液后链式扩散、丝网印刷磷浆料后链式扩散。目前国内 多采用第一种方法:三氯氧磷(POCl3)液态源扩散,其具有稳定、可 控性强等优点。POCl3 液态分子在 N2 载气的携带下进入炉管,在 高温下经过一系列化学反应磷原子被置换。POCl3 在高温下(>600℃) 分解生成五氯化磷(PCl5)和五氧化二磷(P2O5),POCl3 分解产生的 P2O5 淀积在硅片表面,P2O5 与硅反应生成 SiO2 和磷原子,并在硅 片表面形成一层磷-硅玻璃,然后磷原子再向硅中进行扩散。扩散设 备的核心技术指标是扩散方阻均匀性,其他指标包括控温精度和稳定 性、工艺时间等。扩散炉的提供厂家包括 Tempress、Centrotherm、捷 佳伟创、丰盛装备、北方华创、电科 48 所等。
3)钝化和 PECVD 设备
传统 PECVD 工艺主要是镀反射膜:制作减少硅片表面反射的 氮化硅薄膜。高效 PERC 电池工艺中增加了背面钝化工艺,背面钝化 工艺在硅片背面沉积三氧化二铝和氮化硅,对硅片背面进行钝化。
目前 PERC 电池中钝化工艺包括两种方式:一种是使用 PECVD (等离子体化学气相沉积)设备一次性完成三氧化二铝和氮化硅膜的 层叠;二是使用 ALD(原子层沉积)设备完成三氧化二铝镀膜;PECVD 完成氮化硅镀膜。ALD 工艺过程中,将不同的反应前驱物以气体脉 冲的形式交替送入反应室中,因此并非一个连续的工艺过程。相对于 传统的沉积工艺而言,ALD 在膜层的均匀性、阶梯覆盖率以及厚度 控制等方面都具有明显的优势。
ALD(原子层沉积)设备独立完成三氧化二铝镀膜,ALD 镀膜 具有低温沉积、速度慢、膜质好等优点,但是稳定性待检验;设备厂 家包括:solay tec、理想能源、江苏微导等。
PECVD 分为板式 PECVD 和管式 PECVD。板式 PECVD 钝化膜 生长及氮化硅覆膜集成一体,设备及工艺相对稳定,市场暂时领先, Meyer Burger 公司优势突出。
管式 PECVD:用石英管作为沉积腔室,使用电阻炉作为加热体, 将一个可以放置多片硅片的石墨舟插进石英管中进行沉积。其膜质较好,有增加氮化硅提升钝化效果潜力,少量试产,损伤及绕镀现象待 检验,设备厂家包括 Centrotherm、捷佳伟创、丰盛装备。
4)丝网印刷
丝网印刷设备主要是依次完成背场、背电极、正栅线电极的制作。一条印刷线一般包括 3 套印刷机,分别是背电极印刷、铝背场印刷、 正电极印刷,如果有二次印刷,添加 4 号印刷机,在第一层浆料基础 上,相同位置进行第二次印刷,实现更窄、更高导线的印刷。目前丝 网印刷机的厂家包括 Baccini、迈为股份、科隆威等。
5) 激光开槽&激光掺杂设备
激光开槽设备主要用在 PERC 电池的激光开槽,利用一定脉冲宽 度的激光在去除部分覆盖在电池背面的钝化层和 SiNx 覆盖层,以使 丝网印刷的铝浆可以与电池背面的硅片形成有效接触,从而使光生电 流可以通过 Al 层导出。
SE(选择性发射极)中使用到激光掺杂设备,是采用扩散时产生 的磷硅玻璃层作为掺杂源进行激光扫描,形成重掺杂区。
目前激光开槽和激光掺杂的设备提供商包括帝尔激光、大族激光、 迈为股份。
PERC 电池设备国产化率高。目前国内 P 型电池设备国产化率较 高,除了技术要求极高的板式 PECVD、以及国外性价较高的快速烧 结炉需要进口外,其他国内设备厂家已经具有很强的竞争力,在下游 客户降本增效的需求下,市场占有率持续提高。
根据通威的公告:通威合肥太阳能二期 2.3GW 高效晶硅电池片 项目,在前期成都一期项目、合肥技改项目大量引入了国产设备免费 试用,如:印刷线试用迈为、科隆威设备,PECVD、制绒工序试用 捷佳创设备。在经过一段时间验证国产设备可靠性后,为充分降低投资成本、提高收益,公司在招标中大量选购国产设备,“合肥太阳能 二期 2.3GW 高效晶硅电池片项目”原主要设备约 90%需要进口,现 该比例已降至约 20%。
目前国内设备都取得了快速的进步,市场占有率快速提升,都在 各自的优势领域占据了较高的市场占有率(50%以上):捷佳伟创在 制绒、扩散、刻蚀、PECVD 等设备领域;迈为股份在丝网印刷设备;帝尔激光在激光掺杂、激光开槽设备。这些设备公司的客户基本覆盖 了下游的主流电池企业。随着 PERC 产能的陆续投建,这些企业都获 得了大量的设备订单,获得了更快的成长。
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来源:未来智库
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