【2019年光伏电池行业】---分析报告2019年2月目录一、光伏电池迎来“技术革命”，产能结构迈向高端化 (2)1、光伏电池是典型的“技术驱动型”行业 (2)2、光伏发电的基本原理 (3)3、传统光伏电池的制备流程 (5)4、光伏电池技术的改进都是围绕着转换效率的提升进行的 (7)二、PERC 在众多技术路线中脱颖而出 (10)1、单晶VS 多晶：金刚线切片技术带来单晶硅革命 (10)2、P 型技术VS N 型技术：目前P 型占主导，未来N 型有望引领新一轮技术热潮 (11)3、为什么PERC 技术能够脱颖而出？ (13)三、技术迭代引领新一轮设备投资 (19)1、一代技术，一代设备 (19)2、详解PERC 电池生产设备 (20)3、PERC 设备市场空间达百亿，2019 年将高速增长 (21)4、大部分关键设备已经实现了国产化 (24)5、PERC+和N 型电池的设备介绍 (26)四、关注技术实力领先的设备企业 (29)五、风险 (31)一、光伏电池迎来“技术革命”，产能结构迈向高端化1、光伏电池是典型的“技术驱动型”行业技术的升级迭代是光伏电池发展的主要推动力。
光伏产业链按顺序来说包括硅料制造，硅片生产、电池片生产、光伏组件制造和最终的光伏发电系统。
每个产业链环节都有数十家企业参与竞争，因此提升效率和降低成本是企业永恒的追求，而背后最核心的推动力就是技术的升级迭代。
图表1: 晶体硅光伏电池产业链环节示意图2、光伏发电的基本原理产生电流通常需要两个条件，首先要产生自有电子，其次自有电子要定向移动。
?自由电子的生成：通过掺杂微量元素增加载流子浓度。
纯净的、不含其它杂质的半导体称为本征半导体，在室温下，本征半导体共价键中的价电子获得足够的能量，挣脱共价键成为自由电子，在原位留下一个空穴，这种产生电子-空穴对的现象称为本征激发。
本征半导体中因而也存在两种载流子，分别是带负电的自由电子和带正电的空穴。
由于本征材料是电中性的，所以自由电子数量等于空穴的数量。
虽然本征半导体中有两种载流子，但是本征载子浓度很低，导电能力差，为了增加载流子的浓度，往往在本征半导体中掺入微量元素。
1）N 型半导体是指掺入五价元素的半导体，如磷和砷。
掺入五价元素后，五价原子中只有 4 个价电子能与周围 4 个硅原子中的价电子形成共价键，而多余的 1 个价电子因无共价键束缚而成为自由电子。
在N 型半导体中，自由电子是多数载流子（多子），主要由掺杂元素提供，而空穴是少数载流子，一般由热激发而成。
2）P 型半导体是指掺入三价元素的半导体，如硼和镓。
因为三价原子在与硅原子形成共价键时，缺少一个价电子而在共价键中形成一个空穴。
在P 型半导体中，空穴是多数载流子，主要由掺杂元素提供，而自由电子是少数载流子，由热激发提供。
图表2: P 型半导体和N 型半导体示意图?自由电子的定向移动：P-N 结形成内电场，在光照激发下自由电子在电场力作用下定向移动。
1）内建电场的形成。
如果将N 型和P 型半导体紧密接触，则在接触面就会形成特殊的薄层，称之为P-N 结。
由于P 型半导体空穴浓度较高，而N 型半导体自由电子浓度较高，于是在交界处会产生扩散运动，N 型区的自由电子向P 型扩散，与P 型区的空穴进行复合，N 型区中失去电子的磷元素就带上了正电，P 型区的硼元素得到电子则带上负电，因此在交界处形成了内建电场。
在电场作用下，电子又会从P 区向N 区进行漂移，当扩散运动和漂移运动达到平衡时，交界处形成的一定厚度的空间电荷区称之为P-N 结。
2）光照的激发和内建电场的综合作用下，自由电子发生定向移动，产生电流。
当光照射在P-N 结上时，P-N 结甚至其他地方的电子受到激发成为自由电子，这些自由电子在内建电场的作用下开始定向移动，从而产生电流。
图表3: 光伏发电原理示意图3、传统光伏电池的制备流程我们以传统Al-BSF（铝背场）电池的生产流程为例，介绍光伏电池生产的一般流程，主要包括7 道环节：制绒清洗、扩散制结、刻蚀和去磷硅玻璃、制备减反射膜、丝网印刷、烧结和分选。
?清洗：切割后的硅片表面通常存在一层10~20 微米厚的切割损伤层，需要通过碱性溶液或酸性溶液进行去除。
经过清洗后的硅片，进入制绒环节。
制绒方法包括机械刻槽法、反应离子刻蚀法和化学腐蚀法，生产中大多采用化学腐蚀法，即通过加入特定化学溶液腐蚀硅片表面，形成不规则的绒面。
单晶硅通常用碱性溶液进行处理，形成倒金字塔的绒面；多晶硅通常用酸性溶液处理，在表面形成孔状绒面。
?扩散制结：在扩散制结环节，硅片被放在扩散炉的石英容器内，在高温下使用氮气将三氯氧磷溶液（POCl3）带入容器内进行反应，掺杂物质通过硅原子之间的空隙向硅片内部渗透扩散，形成P-N 结。
?刻蚀：由于在扩散制结环节中，硅片的表面和边缘也会被扩散上磷，导致P-N 结的正面收集到的电子会沿着边缘有磷的区域流到P-N 结的背面，导致短路。
因而，扩散制结后的硅片须经过刻蚀，借此除去硅片边缘的P-N 结和磷硅玻璃层，防止出现短路的情况。
?减反射膜沉积：经以上处理后的硅片，往往会经过PECVD 设备（等离子体增强化学气相沉积）的处理，在硅片表面形成一层减反射膜来减少太阳光的反射。
一般光伏电池完成以上非金属工艺环节后，将直接进入金属工艺环节，也就是印刷电极和烧结。
?电极印刷：电极印刷的工艺包括丝网印刷、激光刻槽埋栅、蒸镀工艺等，其中丝网印刷工艺是成本最低也是应用最为普遍的一种。
?烧结：完成电极印刷后须进行烧结，以促使金属电极与半导体衬底接触时形成欧姆接触。
为形成良好的欧姆接触，在电极印刷环节，需要注意硅片、浆料、掺杂浓度等工艺的优化，烧结环节则需要对烧结温度、烧结时间和升降温速率加强把控。
?分选：完成烧结后的电池片需经分选机的检测，达到分档的目的。
图表4: AL-BSF 电池流程示意图图表5: AL-BSF 电池分层结构4、光伏电池技术的改进都是围绕着转换效率的提升进行的评价光伏电池性能优劣最重要的指标是转换效率，也就是光伏电池的最大输出功率和太阳入射光功率的比值。
要理解电池技术的改进路线，就必须先了解影响转换效率的因素有哪些，因为一切的技术改进都是为了解决效率损失问题。
影响光伏电池转换效率的因素主要包括光学损失和电学损失。
?光学损失：1）太阳光被反射造成的损失。
当太阳光照射到电池表面时，一部分光被硅片吸收，但还有相当一部分光被反射，造成了效率的损失。
因此减少太阳光反射可以提高电池效率；2）太阳光被遮挡造成的损失。
电池的表面有金属栅线电极，会遮蔽部分阳光造成损失，普通光伏电池的正面遮光面积一般在7%左右。
因此减少遮光损失可以提高效率并且降低银浆的用量。
?电学损失：1）少子寿命。
少子寿命指代少子的平均生存时间，也就是光生电子和空穴从在半导体中产生到其消失的时间。
对于光伏电池来说，少子寿命越长，电池效率越高。
减少电子和空穴的复合可以增加少子的寿命。
2）电阻较大。
电池内部的电阻包括串联电阻和并联电阻。
串联电阻为硅片基体电阻、扩散方块电阻、栅线电阻和烧结后的接触电阻之和。
其中栅线电阻主要靠丝网印刷参数决定，主要是栅线的清晰度和高宽比，栅线越宽，电阻越小，但遮光面积也越大。
接触电阻主要看烧结工艺。
此外，考虑到一定的光照下产生的电流是一定的，但如果电池的边缘刻蚀没刻断或者体内有杂质形成复合中心的话，就会引起电流的分流，导致穿过P-N 结的电流减少，相当于与结区并联了一个电阻，并联电阻越大，电池效率越高。
如果出现以下情况，并联电阻会变小，如硅片杂质过多，硅片边缘刻蚀不彻底，背面铝浆印刷过程中污染了正面，导致P-N 结烧穿等。
针对以上影响因素，电池生产发明了诸多提高电池效率的方法。
?如何减少光学损失：1）制绒。
通过在硅表面形式绒面，对光进行多次反射来减少反射造成的损失；2）减反射膜。
减反射膜可以使入射光的各级反射相互间干涉从而互相抵消，在实际生产中发生在制绒环节之后，通常使用PECVD 设备在硅片表面沉积一层氮化硅，不仅可以减少反射，同时可以减少表面的载流子复合，提高少子寿命。
3）改进栅线形状。
由于金属栅线不能透光，因此应该尽量减少金属栅线的遮挡，所以一般将金属栅做成指状或者网状。
?如何减少电学损失：1）增加少子寿命：可以通过沉积钝化层、建立背电场和浅结设计来实现。
钝化层可以减少载流子的复合，一般用氧化硅、原子氢等进行钝化。
而背电场则是通过在电池背面建立内电场，从而减少复合率，提高开路电压。
在P 性电池的工艺下，一般在背面印刷铝背场，背面高掺杂铝的区域与P 型基区构成P+-P 高低结，产生内建电场，方向与P-N 结方向一致，从而使载流子受到加速，减少了复合。
此外，浅结设计，也就是指通过低浓度掺杂来实现P-N结深小于0.3微米，可以显著降低硅片表面的载流子复合。
2）降低电阻。
如在金属栅线和硅片的接触面进行高浓度掺杂来降低接触电阻，从而降低串联电阻（形成欧姆接触）。
在实际操作中，减少某一因素的影响往往带来另一影响因子的作用，因此需要进行综合权衡考虑，比如SE 技术（选择发射极）就是在金属栅线和硅片的接触面进行高浓度掺杂来降低接触电阻，但同时在其他地方进行浅结设计，也就是进行低浓度掺杂来降低复合，提高少子寿命。
图表6: 影响光伏电池转换效率的因素二、PERC 在众多技术路线中脱颖而出大部分光伏电池技术的改进，都是为了解决以上的问题。
而哪种技术路线能够脱颖而出，一方面取决于其对电池效率提升的程度，另一方面取决于其经济性，是否具有量产条件，配套的设备和材料是否具备经济性。
1、单晶VS 多晶：金刚线切片技术带来单晶硅革命单晶硅性能好于多晶硅。
1）单晶硅的少子寿命较多晶硅长。
由于多晶硅中间有大量的晶界，包含了很多缺陷，因此内部有很多复合中心，增加了载流子的复合率，减少了少子寿命。
粗略估算，单晶硅的少子寿命比多晶硅要高出数十倍。
2）多晶硅更易碎。
由于单晶硅的最大弯曲程度高于多晶硅，因此在电池生产和组件安装运输过程中不易破碎。
并且在长期冷热交替过程中不容易发生裂痕。
3）单晶的弱光效应更好。
在低辐照的地方，单晶硅对光子的吸收能力好于多晶。
4）单晶电池工作时温度更低。
由于单晶硅没有晶界，内阻更小，因此在工作时比多晶更低，功率损失更小。
单晶硅成本高于多晶硅，因此实际应用上仍然以多晶硅为主。
多晶硅的制造比单晶硅要更加容易，其生长更简便，可以直接切成方形，材料损耗小，对硅原料的容忍度也比单晶硅更高，因此单片成本要比单晶硅更低。
金刚线切割技术带来单晶硅成本的大幅下降。
金刚线切割技术因为高效环保、切片更薄等优点，迅速成为单晶硅切割的主流技术。
但是金刚线切割多晶硅却会在上面留下损伤，影响多晶硅的制绒。
2016 年，单晶硅片制造商基本都采用了金刚线切割，并因此大幅的降低了制造成本，使得单晶硅片的价格逼近多晶硅。
