HJT降本增效终局技术?电镀铜产业化渐进设备商迎机遇
成本昂贵是制约HJT电池大规模产业化的主要原因之一。其中,银浆成本约占HJT非硅成本的50%。
光伏铜电镀是利用电镀的方式在透明导电薄膜(TCO)上沉积金属铜的电极制备工艺。用电镀铜栅线来代替丝网印刷银栅线,可达到大幅降低银浆耗量的目的,当前被视为HJT电池降本增效的主要路径之一。
近日随着通威基本验收太阳井200MW中试线及国电投验证罗博特科600MW设备,电镀铜产业化现加速迹象。华泰证券认为,电镀铜产业化后成本有望大降,叠加其较银浆可将光电转换效率提升0.3%-0.5%从而摊薄全链生产成本,电镀铜有望成为HJT降本增效的终局技术。
电镀铜技术已历经近20年发展
早在2004年,美国SunPower公司就在Maxeon系列的IBC电池上采用了电镀铜技术。
2009年,无锡尚德推出Pluto计划,即冥王星计划项目。
据悉,Pluto技术采用真空蒸镀栅线后再加以电镀,提升均匀性及高宽比,单晶硅电池转换效率达19%,并进行了量产。与传统的丝网印刷技术相比,采用Pluto技术的电池正面电极更窄,可以减少阳光的遮挡并减少与硅片的接触面积,进而将电池的功率输出提高了近12%。
据某光伏企业技术研究所副总工程师介绍,Pluto电池组件当时曾应用在西藏的一个电站中,出货量约为几十瓦。但是,电站发电效率从第三个月开始迅速下降,第四个月就衰减到只有50%左右,冥王星计划因此停摆。
2010年-2021年,电镀铜的技术研发一直在继续。
其间在2011年11月,日本Kaneka公司和比利时IMEC微电子研究中心在第21届国际光伏科学和工程大会上展示了无银HJT电池,通过电镀铜连接6英寸硅基板的透明导电氧化层,转换效率超过21%;2015年11月,Kaneka公司宣布电镀铜HJT效率创纪录达25.1%。
2018年,国电投建立兆瓦级电镀铜栅线HJT电池中试线,2021年转换效率达24.5%。
2022年,随着N型电池组件占比逐渐提升,电镀铜迎来了广阔发展空间。
N型电池技术中产业化进程较快的是TOPCon和HJT,二者在制作过程中都需要消耗双倍的银浆量。其中,HJT使用的低温银浆价格较常规的高温银浆更高,这使得HJT的市场份额被TOPCon反超。HJT要想在N型电池领域和TOPCon并驾齐驱甚至成为主流,亟需通过电镀铜等技术进一步降本增效。
电镀铜具多重优势,HJT降本增效终局技术?
相较于传统丝网印刷技术,电镀铜的导电能力更强、栅线形貌更好且栅线宽度更细,而且成本相对较低。
导电能力方面,首先,纯铜的电阻率显著低于低温银浆。电镀铜工艺制备的铜电极为纯铜,铜金属化电极电阻率为1.7Ω∙m;而低温银浆是银粉和有机物等的混合物,并且受HJT电池工艺温度的影响,低温银浆电阻率高达6~10Ω∙m
其次,铜栅线与TCO的接触电阻低于纯银栅线。不同于银浆料与TCO接触时存在较多孔洞导致电阻增加,电镀铜栅线内部致密且均匀,与TCO接触更优,有效减小电极与PN结的接触电阻,功率损耗也更小,电池片的转换效率相对也较高。
栅线方面,铜栅线的形貌相比银栅线更好,并且电镀铜的图形化设备可以使铜栅线的线宽更细,若使用LDI激光直写设备,在实验室条件下可满足5μm以下线宽的铜栅线曝光需求,量产线最小可实现15μm,而银栅线的细栅宽度在30μm左右。
“电镀的栅线相比于普通丝网印刷的栅线,能够做到更窄一些。”上述工程师表示,丝网印刷的栅线高宽比一般是1:4,电镀的话能够做到1:2,这样就可以把栅线做得更窄、更高一些,从而减少遮光面积,遮光面积一旦小了,电池效率就高了。
此外,如果栅线做窄,其与硅接触的金属部分也会变小,相当于太阳能电池的表面复合速率会减少,因此太阳能电池的少子寿命( 少数载流子寿命)会变高,电池效率也会相应增加。
综合这些优势,铜电镀技术相较于传统的丝网印刷技术,可以实现0.3%-0.5%的效率提升。
成本方面,某光伏组件企业相关人士以及沪上一位基金经理均对第一财经表示,电镀铜可以起到降本作用。
截至2023年6月,电解铜现货价为66元/kg,而低温银浆价格高达约6000元/kg,电镀铜材料成本仅为银浆材料成本的1/100。
由于电镀铜是采用金属铜作为栅线电极,可完全代替银浆。与HJT传统丝网印刷工艺的0.271元/W成本相比,电镀铜工艺的成本为0.135元/W,下降约50%。
但是,电镀铜还要面临与银包铜的竞争。“银包铜技术可以将铜颗粒包括在银浆层里面,既能解决焊接问题,又能解决氧化问题,这种技术目前HJT厂家也都在用。”上述工程师表示。
与银包铜相比,电镀铜降本优势并不十分显著。东吴证券数据显示,50%、30%银包铜的边际非硅成本约为0.06元/W、0.04元/W,低于上述的0.135元/W。
但业界预计,随着设备国产化和规模放量,电镀铜成本有望降至0.05元/W。上述基金经理也表示,电镀铜量产成本最终应该可以追平银包铜方案,但具体时间尚难确定。
华泰证券认为,随着电镀铜量产后成本基本追平银包铜,叠加电镀铜较银浆可将电池转换效率提升0.3%-0.5%从而摊薄全产业链生产成本,电镀铜有望成为HJT降本增效的终局技术。
产业化推进,电镀铜设备市场放量可期
电镀铜技术的成熟和大规模使用将在一定程度上决定HJT的放量时间。“电镀铜技术已经可以用了,目前 HJT投资回报时间还是比TOPCon长,大面积推广估计在明年。”上述基金经理称。
据天风证券,预计2023-2026年HJT新增扩产分别为55、80、120、200GW,其间电镀铜在新扩产HJT中的渗透率预计分别为2%、10%、25%和50%。
随着电镀铜产业化推进,相关设备厂商将率先受益。
电镀铜的工艺流程可分为种子层制备、图形化、金属化(电镀)和后处理四个环节,其中,图形化和金属化是重点。
图形化是决定栅线宽度的核心环节,会直接影响电镀电池转换效率,具体工序包括掩膜、曝光显影等。
掩膜的主要作用是在电镀环节保护不需要被电镀的部分,其材料主要分为干膜、湿膜。曝光显影是将所需要的图形转移到感光材料上。目前曝光显影的工艺主要有传统掩膜显影、LDI(激光直写)、激光开槽以及喷墨打印等。其中,传统掩膜光刻技术中的投影式曝光及LDI是目前较为主流技术,代表企业分别为苏大维格(300331.SZ)、芯碁微装(688630.SH)。
2023年4月,芯碁微装太阳能电池光刻设备量产机型SDI15H已经发货至光伏龙头企业,该机型是公司光伏太阳能设备首机的升级机型,支持HJT铜电镀、XBC电池工艺。据悉,该公司太阳能电池光刻设备2022年完成了从0到1,目前正在配合下游应用场景验证,量产机型已经开始发货,并不断开拓更多下游客户。
“迈为股份(300751.SZ)是一家做图形化设备的公司,和其他公司合作电镀工艺,目前能把栅线宽度做得很好,高度可以做到7μm,宽度9μm,2022年9月最新的效率数据是26.41%。”上述工程师表示,目前迈为股份和协鑫合作布局电镀整线供应。
2023年4月,迈为股份在电话会议上表示,电镀铜、0BB将进入中试阶段。
金属化环节又称电镀环节,是在电镀机的帮助下,利用电解原理生长出铜镀层的过程,也是铜栅线制备的最终环节。
电镀方式大致可分为5类,分别是单面的光诱导式水平电镀、双面的水平电镀、挂镀式、垂直连续电镀、VDI电镀(一种插片式太阳能电池片铜电极电镀装置及方法)。其中,垂直电镀、水平电镀和VDI是目前主要方式。
东威科技(688700.SH)第二代光伏垂直电镀设备已通过客户验证,第三代光伏镀铜设备还在制造中,已实现8000片/小时光伏垂直镀铜设备研发,预计2023年上半年发送至客户处验证。
捷得宝开发的第一台双面水平电镀样机,可以成功电镀HJT双面电池、HJT无种子层电镀、无主栅HJT电池、叠瓦PERC电池、双面TOPCon电池、日本HBC电池。
宝馨科技(002514.SZ)已研制出单道水平电镀中试线,目前正推进整线设备整合、工艺开发和量产化研究,预计2023年底可达到量产化设备水平。
罗博特科(300757.SZ)首创开发了VDI电镀方案,于2022年12月交付设备,目前已经完成铜电镀设备第一阶段工艺可行性测试,各项指标基本达到预期,目前正在进行第二阶段测试,对设备单产、碎片率等指标进行检验。
东吴证券预计,2024年电镀铜将出现GW级产线,产业化后电镀铜设备产线投资额有望由目前的2亿元/GW降低至约1亿元/GW,测算2025年电镀铜设备市场空间为30亿元,2023-2025年CAGR达260%。
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