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光伏电池新技术专题报告:IBC技术红利有望快速释放

发布日期:2022-05-23 15:56:11

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1、 IBC电池在多方面具有先进性

1.1、 一体化龙头主导此轮技术迭代,与二线企业优势 明显拉大

当前阶段光伏已经在大部分地区实现了平价上网,旺盛需求推动硅料价格持续维持 在高位,挖掘光伏高效电池潜力成为行业下一步讨论的重点。对于国内市场,产品存在 同质化趋势,对于龙头一体化组件厂商,推出更高效、更加个性化的产品成为其发展的 策略。新技术实现产品溢价,可以进一步将利润留存在一体化环节,在欧洲分布式和 BIPV等个性化的市场,这种效应将发挥得更加充分。我们将通过系列报告,探讨光伏新 技术的发展以及推导其发展路径,本篇报告重点讨论IBC技术。

通过复盘光伏电池技术的发展,近年来行业发生的一次大的变化就是,PERC替代的 BSF电池,2016年下半年开始,PERC为代表的一批高效电池技术涌现,PERC电池结构是 从常规的铝背场电池(BSF)结构自然衍生而来,BSF电池具有先天的局限性,应用于常 规BSF电池背表面的金属铝膜层中,达到铝背层的红外辐射光,只有60-70%能被反射回 去,通过在背面附上介质钝化层,可大大减少光电损失,仅仅对背面进行优化,降低光 伏电池背面的复合损失。PERC生产相对容易实施,只需要在BSF常规流程上增加2-3个步 骤即可。

BSF电池到PERC改变只是改变电池的结构,并没有改变其衬底,依然使用的是P型硅 片,在结构上变化较小,我们认为这种改动变化相对较小,改动带来的增益能够快速收 回投资额,是以设备企业为主导的一种改变,设备厂商掌握工艺,向电池厂商输出工 艺。下一步产业的升级,可能涉及到电池结构变化,衬底的硅片也会有变化,我们认为 这一轮升级需要龙头一体化组件厂商为主导,设备与金属化公司同步配合,涉及到的变 化较大,一线一体化组件厂商与二线企业的差距将明显拉大。

1.2、 IBC在效率与兼容性等多维度具备优势

IBC(interdigitated back contact)电池的概念,很早就被提出,相比目前规模 产业化的电池,IBC电池其正负极电池均以叉指状的方式排列在电池背光面,同时其 pn 结也位于电池背面,属于背结背接触太阳电池。其特殊的结构使得其在降低光学损失、提升效率、改善电池性能,外观美观等多个方面具备优势,其劣势在于工艺过程较 为复杂且成本较高,难点在于在成本与效率之间的平衡,IBC过程优化为其产业化中行 业普遍关注的问题。

1986年,P.Verlinden率先制备标准强光下光电转换效率在21%的IBC太阳能电池。 2004年,Sunpower公司研发的IBC太阳能电池在149cm 2的N型基体上实现21.5%的转换效 率,2014年Sunpower将IBC的转化效率提高了25.2%。2017年天合光能自主研发的6英寸N 型单晶硅上实现了24.13%的IBC电池转换效率,2018年2月,进一步将效率提升到 25.04%,2019年黄河水电公司建立了国内首条量产IBC量产先,达到23.7%的转换效率, 2021年其量产平均效率已经超过24%。

Sunpower目前已经转型为EPC和开发,组件制造已经以Maxeon品牌独立运营, Maxeon品牌28.8%的股权被中环股份认购。目前Maxeon并未在中国大规模销售,主要针 对于欧洲、中东、非洲和澳大利亚等市场,目前Maxeon 分两个产品线,一是Maxeon 系 列产品,采用IBC的技术路线,二是Performance的产品,采用高效PERC单晶的产品,目 前IBC产品效率明显高于Performance产品。

Maxeon的IBC产品与P型PERC产品性能有明显差异,目前公司最为领先的Maxeon 6产 品功率达到420-440W,转换效率达到22.8%,主要应用住宅市场,并且公司承诺40年的 质保,首年98%的功率输出保证,以及每年0.25%的线性衰减,其线性衰减明显要好于P 型PERC产品,其次在几乎同样的重量下,N型IBC产品功率要高出同档位P型产品接近 50W,10个功率档位,目前PERC产品成组之后的效率约21%,功率约420W,Maxeon N型 IBC产品高出约30W,约6个功率档位。TOPcon产品相比于普通PERC产品功率目前高出约 20W,溢价约0.1元/W,在不考虑IBC产品更低的衰减与质保年限的情况下,IBC产品溢价 相比于普通PERC产品溢价约0.15元/W,如果充分考虑更低的衰减,以及海外分布式市场 更高的接受度,IBC产品溢价有望进一步提升,预计将达到3-4美分/W。

从公司出货量来看,2021Q4 IBC产品出货214MW, Performance 产品出货363MW。 Maxeon 2021Q4 实现收入2.2亿美元,其中1.84亿美元来自于屋顶光伏,屋顶光伏中有 1.05亿美元收入来自于IBC产品,0.79亿美元收入Performance产品。0.38亿收入来自于 集中式电站,其中0.32亿元收入来自于Performance,其余为IBC产品,我们可以根据不 同应用场景收入以及总出货量计算出IBC产品与P型PERC产品的均价分别为0.514美元 /W、0.305美元/W,两者之间具有明显价格差异,一部分原因由于公司部分IBC产品收入 来自于美国高价市场,公司25.7%收入来自于美国市场,另一部分原因是两者之间不同 应用场景及效率带来价差。 Maxeon一季度预计出货量为475-495MW,收入为2.1-2.2亿美元,公司一季度预计调 整后EBITDA 为亏损0.28-0.34亿美元,出货单价约为0.44美元/W,环比进一步提升,预 计IBC出货量占比提升,在海外的分布式市场,高效产品将维持在高价。

目前IBC产品转换效率上具有领先优势。根据Clean Energy News 的统计,目前全 球最高效的光伏组件产品前七中有三家采用的是N型IBC路线,分别是Maxeon、LG、黄河 水电公司,此外SILFAB Solar产品效率位列全球第十一,SILFAB Solar是位于加拿大的 组件供应商,其产品供应北美屋顶市场,采用的是P型MWT 结构类似于P型IBC。

IBC电池有更高的功率温度系数。高于或者低于25℃的每一度减少或者增加特定量 的输出功率,称为温度系数,以%/℃为单位测量,多晶电池的温度系数为-0.40%/℃, 单晶PERC的温度系数为-0.38%/℃,单晶IBC电池和单晶HJT温度系数要低,分别为0.30、-0.25%/℃。

我们认为IBC是性能更优的电池,表现在其产品转换效率全球领先,温度系数较 低,无论是成组后功率,还是实际发电量均有较好的表现,尤其适用于高端分布式市 场,预计在欧洲高端分布式市场将会有优异的表现。 IBC在技术上有比较好的兼容性,对于IBC的布局有利于下一代技术的延伸。TBC电 池将TOPcon与IBC相结合,这种电池结构结合了IBC电流高的短路电流与 TOPCon 优异的 钝化接触特性,因此能获得更高的电池效率。HBC是电池利用HJT电池结构和IBC结合, 形成的太阳能电池结构,这种电池结构结合了IBC 电池高的短路电流与 HJT 电池高的 开路电压的优势,因此能获得更高的电池效率。 我们认为,量产效率26%以上的电池需要IBC技术与HJT/TOPcon相结合,当前阶段, 技术的积累将具有明显的“滚雪球”效应,对于IBC的布局将成为一体化企业的先发优 势。

2、 P型IBC适用于高端分布式场景,一体化布局获得超额收益

2.1、 P型IBC在成本端已经有较高解决方案

1月24日,隆基旗下泰州隆基乐叶光伏科技有限公司 4GW 单晶电池项目环评披露, 在原产2GW单晶电池基础上对生产线进行改造,改成8条 HPBC 单晶电池,预计形成 4GW HPBC 电池产线。HPBC 即在P型技术路线上采用IBC技术,衬底硅片依然为P型硅片。隆 基股份在4月27日投资者关系记录表中明确提到公司会运用新型电池结构和新型的组件 来针对分布式光伏的全球的推广。公司预计新电池产能预计将于三季度投产,针对中高 端分布式市场。我们认为,P型IBC产业布局加速,成本端已经有较好解决方案。

经典IBC的生产步骤是较为复杂,其中背面 p/n 交替的叉指状结构的形成是 IBC 太阳电池的核心技术,传统的工艺需要采用半导体常用的精度更高、均匀性更好的离子 注入设备,同时需要光刻掩膜工艺设备,成本较高。按照经典IBC需要17步工艺,过程 相对复杂。

根据江苏日托光伏于2021年3月申请的专利《一种P型IBC电池的制备方法》,采用P 型硅片作为衬底,正背面均无需硼掺杂,且不需要掩膜和光刻,工艺步骤简单,将传统 IBC复杂的过程简化为12步,生产成本明显降低。

S01:对P型单晶硅基底进行化学清洗和碱抛光,去除硅基底表面的机械损伤层和污 染物,且使硅基底正背表面形貌较为平坦。 S02双面沉积氧化硅和非晶硅膜层:抛光后的基底正背面沉积氧化硅层和非晶硅 层。 S03背面P扩散、退火:对背面非晶硅层进行磷掺杂处理,后高温退火处理,非晶硅 转化为多晶硅。 S04背面激光刻蚀:利用纳秒级或皮秒激光对背面进行图案化处理。 S05去除正侧面PSG:在S02和S03过程中,同时会在基底正面以及侧面形成磷硅玻璃层,即PSG,采用HF酸去除;S06碱制绒:利用KOH溶液使基底正面和背面局部区域构造为金字塔绒面结构。

S07双面沉积AlOx膜层:以原子层沉积方式在基底正背面沉积一层致密的氧化铝薄 膜。 S08背面沉积减反射膜层:以PECVD的方式在基底背面沉积氮化硅、氮氧化硅中的一 种或多种叠层膜。 S09正面沉积减反射膜层:以PECVD的方式在基底正面沉积氮化硅、氮氧化硅中的一 种或多种叠层膜。 S10背面激光开膜:利用纳秒级或皮秒级激光对背面减反射层和钝化膜叠层进行开 膜处理 S11丝网印刷正负电极:N区印刷负电极Ag浆,P区印刷正电极Al浆。 S12烧结:正电极Al浆和负电极Ag浆共烧结,形成良好的欧姆接触。

这种方法的变化在于1)利用P型单晶硅衬底作为P区,正背面均无需硼掺杂,且无 需掩膜和光刻,工艺步骤简单;2)P区正电极采用Al浆,Ag浆使用量降低50%,且采用P 型单晶硅作为基底,明显降低了生产成本。激光设备在此方法下得到比较好的应用。 设备环节省去了比较昂贵离子注入和光刻掩膜设备,金属化环节采用高温银浆与铝 浆,金属化成本同步降低,增加设备仅为激光设备与部分清洗设备,初步估计改良后P 型IBC设备与PERC/TOPcon设备成本较为接近,龙头企业规模化采购,降低投资成本,预 计单GW投资额约在1.9-2.1亿元。(报告来源:未来智库)

2.2、 一体化布局P型IBC会获得超额收益

硅片环节,P型IBC相比于P型PERC变化较少,需要选择少子寿命较高的P型硅片,简 单来说,即品质更高的硅片,对于一体化企业硅片环节影响较小,N型电池技术需要用 到N型硅片,N型硅片可以做得更薄,降低硅耗,但是其在热场、坩埚、拉晶等环节,成 本有所增加,根据我们测算,当N型硅料溢价2%时,N型硅片做到160μm可以与P型硅片 成本基本持平,N型硅片做到150μm,其成本相比于P型硅片低0.04元/W,N型硅片达到 120μm时,相比于P型硅片成本低0.15元/W。

根据我们的测算,P型IBC电池在设备折旧上相比于P型PERC电池高约0.01元/W,在 金属化上由于其同样采用高温工艺,同时使用银浆和铝浆,其金属化成本与PERC 基本 接近,根据我们测算当其良率在95%的时候,P型IBC电池相比于PERC成本高0.04元/W, 当良率与达到98%的时候,P型IBC电池相比于P型PERC成本高约0.01元/W。

对于组件环节,高效产品可以做到通过摊薄封装环节成本来实现成本降低,Maxeon 的IBC组件采用的是纯POE胶膜的封装路线,晶科 TOPcon组件采用的也是POE的封装路 线,对于更高效产品胶膜环节成本预计会所增加,其他环节成本将会降低,总体来看, 当功率高出20W P型IBC单玻与PERC电池单玻两者之间电池片以外环节成本基本接近。当 功率进一步提升时,在组件环节,P型IBC也会在电池片以外环节存在成本优势。

以P型硅片为起点的一体化企业有望在P型IBC组件产品上获得超额收益。使用激光 类设备在一定程度上会对衬底的P型硅片产生损伤,需要在P型硅片环节选择品质更高的 产品,考虑到P型IBC产品应用场景主要是海外分布式,终端对于高性能产品溢价接受度 较高,假设其溢价可以达到0.2元/W,约合3美分/W,当P型IBC电池良率达到95%时,P型 IBC产品一体化盈利即可达到约0.25元/W,当良率达到98%的时候,一体化盈利可以进一 步提升到0.28元/W。

Segen是英国最大的光伏组件分销商,其分销产品几乎为海外知名组件厂商及国内 一体化龙头企业产品,欧洲分布式市场存在个性化需求,IBC产品外观美观,客户对于 其售价有较高接受度,龙头一体化组件厂商可以通过其在海外分销渠道结合其高效产品 实现超额盈利。

屋顶分布式光伏2021年快速增长,主要增长来自于中国、美国、德国、西班牙等国 家,其中西班牙屋顶分布式2021年比于2020年增长100%,分布式光伏占比逐年提升, 2021年全球新增装机中分布式占比约45%。2022年欧洲分布式光伏市场快速发展,主要 原因是各国政府基于能源独立考虑实施的鼓励政策以及持续上涨的PPA电价。德国、荷 兰、波兰等欧洲国家分布式装机快速增长,巴西小型光伏市场也快速增长,根据 BloombergNEF统计,其小型光伏2022年将实现装机9.0GW,同比增长80%。分布式光伏预 计将成为全球光伏增长装机重要动力,IBC在高端分布式和BIPV市场具有竞争力。

根据我们测算,预计欧洲屋顶分布式光伏今年装机将达到28GW。2025年达到57GW装 机,美国户用屋顶光伏将达到10GW装机,中国BIPV装机保守估计将达到30GW,考虑部分 拉美、亚太地区需求,适用于IBC的应用场景将达到约100 GW,若按照50%的渗透率,预 计到2025年IBC产品装机将达到50GW以上。

3、 技术迭代带动设备需求,利好激光和串焊环节

根据我们的测算,预计到2025年全球光伏电池产能将达到864GW,其中P型产线产能 占到70%,N型产能占到30%,若龙头企业能够将P型IBC产线顺利调试出货,其产能有望快速扩张,预计2025年P型IBC产能将达到97GW,占到 P型产线的16%,占到光伏电池总 产能的11.2%。

2021年光伏电池产能达到350GW,PERC产线扩张阶段性放缓,行业逐步切换至N型 TOPcon与IBC产能,预计2023年加速扩张,2024年HJT产能加速扩张,预计2022-2025年 光伏电池设备市场空间186/240/321/380亿元,增速分别为7%/29%/34%/19%。

P型IBC对于激光类设备需求产生明显拉动。PERC类产品对于激光的需求主要集中在 激光消融设备上,该激光设备用于PERC背钝化量产线,SE掺杂设备用于磷掺杂选择性扩 散工艺,在PERC环节渗透率几乎达到100%,单GW PERC产线激光类设备价值量在1000- 1200万元左右,约占PERC产线价值量的6-8%。IBC产线在PERC产线的基础上进一步增加 了激光设备,预计激光设备约占IBC产线价值量的15%(暂不考虑激光转印),P型IBC产 能快速扩张将带动激光类设备增速提升。在N型电池中,TOPcon产线需要用到激光硼掺 杂设备来增加效率,预计单GW价值量约占TOPcon产线的10%,HJT产线采用LIA激光修复 技术,实现电池片抗光衰工艺,使太阳能电池具备抗光照衰减的能力,帝尔激光的LIA 激光修复技术已取得客户量产订单。

激光转印有望在高效电池中渗透率提升。激光转印的栅线更细,可以做到 18 微米 以下浆料节省 30%,在 PERC 上已经得到论证,在 TOPCon、HJT 等路线上的节省量会 更高;2)印刷高度一致性、均匀性优良,误差在 2μ m,低温银浆也同样适用;3) 可 以改变柔性膜的槽型,根据不同的电池结构,来实现即定的栅线形状,改善电性能;4) 激光转印为非接触式印刷,可以避免挤压式印刷存在的隐裂、破片、污染、划伤等问 题。同时,未来硅片薄片化趋势,薄片化会带来更多隐裂问题,激光转印由于非接触式 印刷,可以解决此问题,我们认为激光类设备1-2年维度看IBC扩产带来的对于激光设备 需求提升,长期看激光转印渗透率提升。 根据我们测算,2022-2025年光伏电池激光类设备市场空间将达到17/24/35/45亿 元,对应增速分别为25%/46%/47%/27%,预计2023、2024年激光类设备空间将加速提 升。

对于不同技术路线电池技术路线,组件端都需要用到串焊机。串焊机龙头奥特维布 局的串焊机可以覆盖市场上各种技术路线的工艺。奥特维在投资者关系记录表中提到, 公司在2014年就推出了IBC串焊机,IBC串焊机和现有的串焊机有明显差异。串焊机需求 来自于新增组件产能与存量组件产能改造,我们认为随着N型TOPcon与IBC渗透率提升, 存量产能改造比例将会有所提升,暂不考虑串焊机单GW价值量变化,预计2022-2025年 市场空间分别为47/58/73/91亿元,相应的增速分别为19%/23%/25%/25%。(报告来源:未来智库)

4、 重点公司分析

1) 隆基股份:1月24日,隆基旗下泰州隆基乐叶光伏科技有限公司4GW单晶电池项目环评披露,在原产2GW单晶电池基础上对生产线进行改造,改成8条HPBC单 晶电池,预计形成4GW HPBC 电池产线。HPBC即在P型技术路线上采用IBC技术, 衬底硅片依然为P型硅片。隆基股份在4月27日投资者关系记录表中明确提到公 司会运用新型电池结构和新型的组件来针对分布式光伏的全球的推广。公司预 计新电池产能预计将于三季度投产,针对中高端分布式市场。同时公司积极贯 彻“不领先、不扩产”的经营策略,加速新型电池技术的产业化应用和产能建 设,预计将在 2022 年第三季度开始投产。

2) 爱旭股份:2021 年 6 月,公司在上海 SNEC 展会推出了最新研发成功的 ABC 电池,该新型 ABC 电池采用了全新的背接触结构,正面无任何栅线遮挡, 具有转换效率高、温度系数低、弱光响应高、易于薄片化等优势,预计平均量 产转换效率将达到 25.5%左右。新技术路线大规模应用后,等面积发电量较目 前市场主流的 PERC 电池可增加 10%,有望引领光伏产业链展开新一轮的技术 迭代,推动光伏产业的进一步发展。公司 ABC 技术的 300MW 电池中试线及 500MW 组件实验线进展正常,珠海 6.5GW 的 ABC 电池量产项目已顺利开工, 项目建设正有序推进中,公司预计 2022 年三季度可建成投产。

3) 帝尔激光:随着激光技术的成熟及应用成本的下降,光伏生产工序通过激光 来实现提效降本的工艺场景越来越多,如利用激光实现消融、掺杂、修复、划 片等。公司在 PERC 工艺路线的激光消融与掺杂具备市场主导地位;在 TOPCon 工艺路线,公司拥有硼掺杂、开膜、特殊浆料开槽等相关技术储备;在 HJT, 公司的 LIA 激光修复技术已取得客户量产订单;在 IBC 电池工艺上,公司的 激光开槽技术已经量产;同时,公司也在开展钙钛矿电池的相关研发。公司加 大研发投入实现多线布局,2021 年研发投入 1.04 亿元,同比显著增长 83.7%,研发费用率提升至 8.24%,为应对下游客户不同工艺路线选择提供相关 设备,继续引领激光在光伏领域的应用。 激光转印设备是公司的独创设备,并在全球范围内申请专利保护。相较传统丝 网印刷设备,激光转印在节约银浆、提升效率、减少碎片率方面更有优势。激 光转印设备兼容多种光伏电池技术方向,具备良好的前景,有望成为公司新的 增长极。

4) 海目星:在光伏领域,公司通过多年激光应用技术以及现有应用领域的激光 及自动化量产能力和技术实力的积累,为公司开发提升客户自身效率需求的激 光及自动化设备奠定了坚实基础。2022 年 4月,公司光伏业务获得客户 10.67 亿元中标通知,主要产品为 Topcon 激光微损设备,本项目是公司光伏激光及 自动化设备首次获得大规模订单。

5) 奥特维:XBC组件需要专门的串焊机,焊接原理发生了变化,从双面焊接变成 了单面焊接,此款产品奥特维在2014年就和客户联合研发出来,当时没有商业 化,主要是由于IBC在当时并不成熟,目前公司在已有技术上,根据最新电池片 特点,验证新的电池片技术对XBC的新工艺要求。目前技术迭代主要有三个方 向,一是SMBB在TOPcon电池片的技术应用,二是HJT电池片的技术应用,三是有 部分客户在布局IBC的技术,公司均有储备。

(本文仅供参考,不代表我们的任何投资建议。如需使用相关信息,请参阅报告原文。)

精选报告来源:【未来智库】。


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