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异质结,能否开启光伏产业新一轮变革?

发布时间:2020-03-03 访问次数:461次 来源:华夏幸福产业研究院 分享:

节后企业复工仍在与战“疫”抗争,除了受疫情催化的医药产业、数字经济等行业被资本市场追捧,光伏版块大热,尤其是HIT(异质结)概念爆发,成为疫情之下的逆行者。资本市场近期密集关注异质结技术,认为其引发的第五次光伏技术革命即将来临。然而,尚处于产业化早期的异质结技术却是优势与挑战并存,资本市场大放光彩的背后仍有诸如设备材料和知识产权等亟待迈过的门槛。

异质结凭借多重优势而被光伏行业寄予厚望

HIT是本征薄膜异质结(Heterojunction with Intrinsic Thin-layer)的缩写。1974年Walter Fuhs首先提出了非晶硅和晶硅材料相结合的HIT结构,随后日本三洋公司在1989年首次将该结构运用在光伏领域,成功开发出HIT光伏电池,并将HIT申请注册商标。为了和商标区别,业内对异质结电池也使用HJT、HDT、SHJ等别称。

异质结电池并不是一项新兴电池技术,我们可以将其三十余年的发展历程划分为四个阶段(图1),1974~1996年是异质结电池的初步探索阶段,日本三洋公司的异质结技术取得实质性突破,奠定了异质结电池的结构基础,并对其进行专利保护;1997~2009年是技术改进阶段,受到三洋专利保护和薄膜技术的限制,少数公司和研究机构更多地在围绕提升转化效率开展研究工作;2010~2016年是工业化生产阶段,随着三洋HIT基础专利分别在2010和2015年到期,很多光伏、薄膜和设备类企业进入异质结电池领域,推动了异质结的快速进步,日本松下(2009年收购三洋)和钟化(Kaneka)多次创造异质结电池转化效率新纪录,目前最新记录也是钟化创造的26.7%;2017年开始进入了商业拓展阶段,晋能科技、钧石能源、山煤国际、爱康科技、东方日升等一大批国内企业启动或规划异质结生产线,规划总产能超过了20GW。

图1. 异质结电池四个阶段发展历程

资料来源:TAIYANG NEWS,华夏幸福产业研究院

异质结电池中引入的掺杂非晶硅薄膜层通过降低表面悬挂键的密度而实现优良的界面钝化效果,继而带来高开路电压和高转换效率;引入的本征非晶硅薄膜层可以降低界面态密度,降低复合电流,增加开路电压。异质结电池的这种特殊结构(图2)使其兼具晶硅太阳能电池良好的吸收性能和非晶硅薄膜优异的钝化特性,大大提升了发电能力。

与目前行业主流PERC电池相比,异质结电池具备六大技术优势:

首先,异质结电池凭借良好的钝化可将开路电压达到740~750mV,比PERC电池提升了50mV,带来转换效率的优势。目前HIT电池的转换效率记录为2017年日本钟化结合背接触技术后达到的26.6%,以及汉能在去年实现的纯异质结电池结构25.11%的转化效率。主流企业的量产效率也都在24%以上,优于PERC电池22.5%的量产效率。预计未来2~3年,量产效率可以保持每年0.5%的提升速度,与PERC电池的差距将逐渐拉大;

其次,异质结电池不存在光致衰减和电位诱发衰减现象,光照稳定性强,松下对其HIT产品的户外测试表明25年发电功率下降8%,年均衰减只有0.25%,不到PERC电池的一半;

第三,光伏电池温度升高时输出效率会降低,异质结电池的温度系数低0.25%/℃左右,优于PERC电池的0.37%/℃,在高温环境下,异质结电池的发电量要优于PERC电池;

第四,异质结电池的结构决定了其可以天然双面发电,双面率可以达到95%,而PERC电池受到技术原理的限制,双面率主要集中在75%~80%,异质结电池的高双面率可以带来2%~3%的发电量优势;

第五,异质结电池的生产工艺采用低温工艺,且工艺流程只有清洗制绒、非晶硅薄膜沉积、导电膜沉积、丝印固化四个环节,相比流程复杂的PERC电池大大简化;最后,异质结电池结构和技术上的延展性极具提升潜力。异质结电池的硅片厚度可以做到160微米以下,具备进一步减薄化的可行性。此外,也可和其他光伏电池技术相结合,例如异质结+IBC(指交叉背接触)电池、异质结钙钛矿叠层电池。

图2. 异质结电池结构及其技术优势

资料来源:华夏幸福产业研究院

光伏产业技术发展过程中的两个重要目标就是高转换效率和低度电成本,而异质结的六大技术优势正好符合了光伏产业的追求。从技术路径来看,异质结电池也将是继PERC之后的下一代电池技术路线,随着异质结技术的逐渐成熟,将成为一种平台型技术,通过和其他电池技术组合形成叠层电池,将是未来太阳能电池的主流方向。

尽管异质结电池在资本市场表现抢眼,但其中的投资风险不可不防。从技术层面而言,异质结电池的生产流程虽较PERC电池简单,但是每个环节的制造难度大幅提升,对清洁度、精细度、均匀性和连续性的要求都非常严格,基于此,在保证高效的情况下,大规模的量产还需要进一步的研发工作。此外,设备材料的国产化和知识产权壁垒也是异质结电池产业化之路上的障碍。

设备材料的国产化决定异质结的产业化进程

回顾光伏产业的发展历史,技术升级迭代是电池片发展的核心推动力,而设备是技术升级的基础,往往是头部企业引进国外成熟设备打通生产工艺,国内设备厂商跟进实现造价降低,从而推动新一代电池技术的产业化生产,异质结电池亦是如此。

异质结电池四个生产步骤分别对应一种专用设备,分别是清洗制绒机、非晶硅薄膜沉积设备、导电膜沉积设备和丝网印刷机(图3)。目前,清洗制绒机和丝网印刷机国产化程度最高,相关设备的性能已与海外厂家相差无几。清洗制绒机的海外厂商有日本YAC、德国Singulus和RENA,国内企业捷佳伟创已有数台机器出货,其研制的超高产能异质结单晶制绒清洗设备已经在通威200MW产线上处于检验阶段。异质结电池和PERC电池采用相近的丝网印刷工艺,因此丝网印刷机的国产化程度也是最高的,国外厂商包括美国应用材料、意大利Baccini、德国ASYS、英国DEK,国内厂商有迈为股份、科隆威和捷佳伟创。

非晶硅薄膜沉积主要有等离子增强沉积(PECVD)和热丝镀膜沉积(CAT-CVD或HWCVD)两种。CAT-CVD主要是日本爱发科生产,国内捷佳伟创亦有涉足。目前PECVD是市场上采用的主流设备,同时也是技术壁垒和成本最高的设备。1GW的异质结电池产线对应10台PECVD,设备投资在4~5亿元,占全部产线投资的近一半。PECVD设备主要来自瑞士梅耶博格、美国应用材料和韩国Jusung。国内钧石、理想已经有PECVD的供货能力,但仍需技术提升。迈为和捷佳伟创的研发进展较快,设备在不断调试和改进,预计今明两年可能会有较大的突破。国产PECVD设备若能突破,将大幅降低异质结产线投资成本。

导电膜沉积环节有两种技术路径:物理化学气相沉积(PVD)和反应等离子体沉积(RPD)。RPD是日本住友开发的镀膜设备,由于存在技术壁垒,设备价格相对过高,导致其市场应用不如PVD。捷佳伟创持有住友的生产授权,其研发的设备已经在国内产线上验证,工艺已经成熟。现阶段异质结量产线采用PVD的企业较多,主要原因是设备较为成熟且稳定,同时价格便宜。主要设备商包括瑞士梅耶博格、德国冯阿登纳、日本爱发科,以及国内的钧石、湖南宏大等。

整体来看,现阶段进口设备仍凭借技术优势而成为异质结电池量产线的主要选择,清洗制绒设备和丝网印刷设备已经开始逐步国产化替代,而PECVD和PVD设备已有少数企业可以小规模生产,并进入验证阶段,预计未来1~2年,PVD将大部分实现国产化,PECVD国产化取得突破。随着异质结产业规模化的提升,将进一步推动整体设备降本。

图3. 异质结电池主要生产环节设备材料及其制造商

资料来源:WIND、华夏幸福产业研究院

与设备相比,材料方面的限制则要小得多。异质结电池四个生产环节对应四类耗材,其中,清洗制绒和非晶硅镀膜两个环节所使用的耗材基本上都属于大宗化学品,国内外市场非常成熟,成本占比低到可以忽略不计。

导电膜沉积环节所使用的靶材是异质结电池的第二大耗材,目前已初步实现国产化。PVD工艺的靶材主要为ITO和SCOT,先导、映日、壹纳等国内厂商的ITO已经较为成熟,且价格大幅低于国外厂商。SCOT目前主要由韩国ANP公司提供,尚未实现国产化;RPD工艺的靶材主要为IWO,目前进口产品主要来自日本住友,国内壹纳已实现国产化,价格为住友价格的一半左右。随着靶材国产化的逐步完成,需求放量将会带动靶材价格下行,将有利于进一步降低异质结电池成本。

丝印固化环节采取低温工艺,因此需要使用低温银浆,其占异质结电池非硅制造成本的一半以上。目前低温银浆市场基本被日本京都电子垄断。京都电子专注开发低温银浆,特别是异质结电池使用的高导电性低温银浆,产品性能全球领先。其他供应商如德国贺利氏、美国杜邦、汉高均开发过低温银浆产品,但目前市场占比较小。国内厂商目前仍处于起步阶段,常州聚和新材、苏州晶银已实现产品量产,技术性能相对较好,预计未来1~2年内可在技术性能和市场开拓上有所突破。低温银浆的国产化对我国异质结电池的产业化至关重要,也是目前材料方面最大的瓶颈,需引起关注。

异质结产业化进程仍需防范知识产权风险

最后我们再来谈一谈异质结电池的知识产权问题。前面介绍了异质结电池最早由日本三洋公司开发并申请了专利保护,直到其基础专利分别在2010和2015年到期。之后很多光伏企业开始进军异质结电池,建设和规划了诸多产线,很重要的原因就是三洋专利已经过期,不存在技术产品侵权问题。但日本松下(收购三洋)会仅仅因为基础结构专利过期而让自己培育的异质结产品缺少知识产权保护吗?

图4. 三洋公司HIT电技术全球专利申请态势

资料来源:INCOPAT、华夏幸福产业研究院

答案当然是否定的。作为一家拥有强烈知识产权意识的创新型企业,松下三洋围绕异质结电池构建了多维度、多角度的专利布局,形成了强大的知识产权保护网络。根据检索结果,三洋公司在2000年以后围绕其核心的HIT技术累计申请1202项专利家族,并重点布局美国、欧洲、中国大陆、韩国、中国台湾等地区(图4),特别是在其HIT两件基础专利即将失效之前,在2007~2012年之间围绕HIT产品的功能结构层质量改善和整体性能提升进行了大量的技术创新和专利申请。特别的是,同一时期,三洋公司在中国大陆加强了专利布局,以保障其HIT产品的绝对技术优势。

图5. 三洋公司HIT技术主题专利沙盘

资料来源:INCOPAT、华夏幸福产业研究院

基于技术主题的专利沙盘分析,三洋围绕HIT技术基本专利,在本征非晶硅钝化层改善、沉积工艺优化、发射层材料、金属化栅线、高电导高透导电层、光伏组件、光伏电池模组等方面进行了外围专利布局。这些后续改进技术的专利对于目前正在推进异质结电池研发和产业化的国内企业来说,是需要特别防范的知识产权风险。

结束语

对于尚处于产业化早期的异质结电池技术来说,优势与挑战将在一定时期内并存,资本市场大放光彩的背后仍有诸如设备材料国产化和知识产权风险等亟待迈过的门槛。能否成为下一代光伏主流技术,还有待时间的考证。

参考资料

1.异质结太阳能技术,TAIYANGNEWS

2.异质结:下一轮技术迭代周期正在开启,光大证券

3.异质结不断得到认可,产业化进程或加速,招商证券

4.异质结,有望开启光伏新一轮技术革命,中银国际

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