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研报原文PDF:电气设备-光伏设备职业:光伏设备工业现状及远景剖析-中信建投[吕娟,夏纾雨]-20230216【57页】
太阳能电池首要分为晶硅电池与薄膜电池两大类,现在晶硅电池占比约95%,薄膜电池正在蓬勃开展。从设备视点来 看,下流扩产是需求的直接动力,终端装机量进步有望带来增量设备需求;一起,光伏职业持续进行技能创新与工艺 迭代,不只有利于影响新的扩产需求,还有望加快原有设备的更新替换。晶硅电池方面,获益于技能迭代以及海内外 扩产,全体设备需求坚持高景气;薄膜电池方面,咱们看好钙钛矿电池的开展,判别2023年钙钛矿职业处于从百兆瓦 中试线向GW级量产线快速推动的进程中,设备是新工艺导入量产的根底,在工业化初期的重要性凸显。展望未来, 当薄膜或叠层年代到来之时,应战与时机并存,咱们对未来“竞赛格式将怎么演化?”进行了考虑。
太阳能电池的作业原理为光生伏特效应,太阳光照耀半导体P-N结,P-N结两头发生电压,即光生电压。阳光照耀到电 池外表,吸收具有能量的光子在内部发生非平衡状况的电子-空穴对。由于P-N结内建电场的效果,电子与空穴将别离 向N、P区移动,P-N结邻近构成与内建电场方向相反的光生电场。抵消P-N结内生电场剩下部分使P、N差异离带有正 负电荷构成光生电动势,外接负载后电流将从P区流出,经过负载再从N区流入。
大类上看,太阳能电池由晶硅电池与薄膜电池构 成。现阶段,晶硅电池占比约95%,为肯定干流 的太阳能电池,以单晶硅电池为主;薄膜电池作 为太阳能电池开展的重要方向,包含非晶硅电池、 化合物电池,相较于晶硅电池具有理论转化功率 高、制作本钱低、运用范畴广等特色。
①晶硅电池:分为单晶硅电池、多晶硅电池,单 晶占肯定干流。2021年我国单晶硅片(P型+N型) 算计市占率94.5%,其间P型占比90.4%,N型占 比4.1%,估量单晶硅片市占率将进一步增大且N 型占比有望加快进步。另一方面,多晶硅片商场 比例由2020年的9.3%进一步下降至2021年的 5.2%,未来仍将出现下降趋势。电池技能道路年PERC电池市占率到达91.2%,均匀转 换功率23.1%,同比进步0.3pct;多晶黑硅电池平 均转化功率19.5%, 进步空间有限 。 2021 年 TOPCon、HJT电池市占率约3%,其间TOPCon电 池均匀转化功率到达24%;HJT电池均匀转化效 率24.2%;IBC电池均匀转化功率24.1%。
光伏发电远景宽广,2050年装机量将超越14000GW。世界各国活跃推动动力转型,可再生动力发电大有可为。依据 IRENA发布的《World Enegry Transitions Outlook 2022》,估量光伏发电量占全球总发电量比例将持续进步,有望在 2030年、2050年别离到达19%、29%;与此一起,光伏装机量将节节攀升,估量2030年、2050年光伏装机量有望别离 超越5200GW、14000GW。而依据IEA数据,到2021年全球累计装机量到达942GW,据此判别未来近30年间,光伏 职业仍具有巨大的开展潜力。
光伏装机量持续攀升,带动光伏设备需求添加。双碳布景下光伏工业加快开展,依据国家动力局计算数据,2022年1- 12月光伏新增装机87.41GW,同比添加59.3%。光伏设备直接需求来自于下流扩产,跟着装机量的添加,光伏硅料、 硅片、电池片、组件等需求持续添加,因而下流需求进行本钱开支扩展产能满意装机需求,开释增量设备需求。 硅料降价,有望带动下流放量。2022年11月以来,上游硅料价格开端松动并敏捷降价,依据PV Infolink数据,多晶硅 细密料均价从2022年11月16日的303元/kg快速下降至2023年1月18日的150元/kg,近期价格有所反弹,可是全体而言, 2023年硅料价格将同比显着下降,有望拉动终端装机需求进步,然后带动设备需求添加。
技能迭代不断,设备出资时机不歇。降本增效是光伏职业向前开展的主题,怎么完成单瓦发电本钱的最优化是光伏企 业持续为之斗争的方向。咱们以晶硅光伏电池工业链为例进行阐明,其下降光伏本钱的办法首要包含:1)硅片做大摊 薄本钱;2)硅片切薄摊薄本钱;3)电池片的转化功率进步进步发电量然后摊薄本钱;4)新的组件技能开展进步发电 量、下降耗材运用量摊薄本钱;5)各环节设备、资料的国产化下降本钱等。而现在最重要的技能改动则是高效电池扩 产带来的工业链技能革新,触及硅片、电池片、组件等各个环节。技能革新不只有利于影响新的扩产需求,还有望加 速完成原有产能中设备的更新替换,带来相应的光伏设备需求。
2.1.1、硅片环节:长晶与切片为中心工艺环节,“大尺度”、“薄片化”、“N型”趋势明晰
当工业硅经过提纯后,构成到达太阳能级质量标准的硅料,依据工业需求用于制备单晶硅、多晶硅,别离运用于单晶 电池和多晶电池的出产。制备硅片首要包含长晶、切断切方、切片、测验分选四个环节。其间,长晶与切片为中心环 节。单晶硅棒的制备由多晶硅料经过直拉法或许区熔法制成;铸锭法制备单晶硅指选用类似于铸造多晶硅的工艺制备 单晶硅,现在选用该工艺制备单晶硅片的占比依然较小。
硅片环节最重要的改动趋势包含“大尺度”、“薄片化”、“N型”。 2018年至今,硅片尺度迭代加快驱动新一轮设备出资。依据CPIA数据,2021年182mm和210mm尺度算计占比由2020年的4.5%敏捷添加 至45%,估量未来其占比仍将快速扩展。由于设备兼容尺度存在必定束缚,因而向210mm尺度切换进程中开释了很多新设备需求,显 著加快了设备更新。 薄片化趋势明晰,工业端持续推动。薄片化有利于下降硅耗和硅片本钱,但会影响碎片率。现在切片工艺完全能满意薄片化的需求, 但硅片厚度还要满意下流电池片、组件制作端的需求。
N型单晶硅片是完成高功率太阳电池的抱负资料,浸透率有望持续进步。N型单晶硅具有杂质少、纯度高、少子寿数少、无晶界位错缺 陷以及电阻率简略操控等资料优势,是制备光伏电池的优质资料。在相同金属杂质污染状况下,N型电池外表复合速率低,少子寿数 比P型电池高出1-2个数量级,因而平等光照条件下,转化功率更高。此外,由于N型电池是硅片基底掺磷,没有P型电池硅片基底硼-氧 对构成复合中心的丢失,因而电池几乎没有光致衰减。全体而言,相较于P型电池,N型电池在全生命周期的发电量至少会高出3%。
晶体硅太阳电池占有太阳电池比例约95%,是现在工业化水平与牢靠 性最高的光伏电池类型。现在晶体硅电池正由2.5年代向3.0年代前行。 ①第一代(2005年~2018年)惯例P型电池:2020年,传统BSF电池 (铝背场电池)市占率已降至8.8%,根本面对筛选。
②第二代(2016年~至今)PERC与PERC+电池:2016年前后,跟着 PERC电池工业承受度的迸发,职业进入2.0年代。PERC电池在传统 铝背场工艺根底上添加了背钝化与激光开槽。更进一步,在PERC基 础上,以分散后的PSG层为磷源,运用激光的可挑选性加热的优势, 对正外表进行二次掺杂(磷),然后构成挑选性重掺的N++层。SE技 术的引进使得PERC电池进一步晋级为PERC+,敞开2.5年代并接连 至今。现阶段PERC+电池工业化配套老练,量产线%左右。另一方面,其也逐步迫临量产转化功率上限,行 业开端探寻下一代高效晶硅太阳电池。
③第三代(正在敞开规划工业化)TOPCon、HJT、xBC等高效电池: 一方面,依据关于更高转化功率的不断寻求,N型电池将逐步开端替 代P型电池,P型电池分散磷构成N+/P结构,尽管分散工艺简略可是 面对转化功率上限较低的问题;N型电池分散硼构成P+/N结构,具有 高少子寿数、无光致衰减的长处。N型电池代表包含TOPCon、HJT等。 与此一起,业界仍有很多玩家测验xBC电池,经过改动电池结构完成 功率进步,P型和N型xBC电池也正在活跃走向规划化量产。
组件出产是将电池片和其他原资料组装成光伏组件的进程。电池片经过划片工序预分片后经过串焊与互联条焊接构成电池串,再 用汇流带将电池串衔接构成组件串,然后将组件串、玻璃、切开好的EVA和背板进行层叠铺设,经过层压、削边、装框、装置接 线盒、硅胶固化、外表清洁、安规/EL/测验、外观查验、包装等工序构成组件。其间串焊和层压工序为组件出产进程中较为要害 的环节,对应的设备别离为串焊机和层压机。 组件设备出资额约6200万元/GW,串焊机占比约35%。依据CPIA数据,2021年新投组件产线万元/GW;在组件 设备的价值构成中,串焊机价值量较高,单GW价值量一般超越2000万元,占比约35%,层压机价值量占比约20%,自动化出产 线及其他设备价值量占比约45%。
组件环节扩产需求来自于:①光伏职业本身的高成长性;②大尺度浸透率的快速进步;③薄片化关于自动化设备的新 要求;④电池金属化完成办法的晋级,首要影响串焊机等环节;⑤电池技能道路的多样性。 大尺度与设备兼容性:在大硅片快速浸透的布景之下,大尺度高功率组件开展迅猛,由于设备的不兼容性,2020~2021 年职业扩产的重要驱动力即来自于大尺度设备关于小尺度的代替。依据PV infoLink的计算,2021年年底具有大尺度高 功率组件出产才能的组件企业超越50家,2022年大尺度组件市占率将挨近80%。 薄片化关于组件自动化产线提出新要求:薄片化能够下降硅片本钱,可是也会必定程度影响到碎片率。现在TOPCon电 池N型硅片均匀厚度为165μm,HJT约为150μm,IBC约为130μm,薄片化趋势关于组件端自动化产线设备提出新要求。
展望未来,高效电池片技能革新催生新的组件设备需求。以串焊环节为例,不同高效电池结构、工艺存在差异,串焊 工艺需匹配进行调整。TOPCon电池方面,惯例设备可兼容TOPCon串焊,若选用SMBB工艺则需求晋级为SMBB串焊 机。HJT电池方面,为坚持电池片电学功能、保护膜层,HJT串焊机需经过定制化改造以习惯低温工艺,微晶硅代替 非晶硅后可选用300℃以上的中温焊接,下降串焊难度;此外也可选用SmartWire无主栅串焊技能代替传统串焊工艺。 xBC电池方面,电池改为背触摸结构,串焊工艺需改为单面焊接,惯例串焊机无法兼容,需替换xBC串焊机。
光伏晶硅道路年光伏硅料职业扩产大超预期,产值亦有大幅进步。估量2022年年底,国产硅料产值将上升至78 万吨、进口产值约10万吨,产值算计88万吨左右,换算为GW单位约为264GW左右。依据CEA的计算猜测,2023年光伏硅料产能 将敏捷攀升至536GW(折合约214万吨),而当年的预期光伏新增装机量约为330~360GW,阶段性的供给冗余难以防止。跟着供 给端产能开释的加快,估量2022年全年坚硬的硅料价格或将于2023年开端松动。从公开信息计算来看,2023年拟扩产规划仍超越 100万吨,实践落地率将与职业盈利性具有较高关联性。
光伏晶硅道路年光伏硅片计划扩产规划超越200GW,而2021年扩产150GW,2021年年底产能到达400GW以上。影响硅片行 业扩产景气量的要素首要包含:①上游多晶硅原资料价格;②硅片企业本身盈利性;③新老玩家在职业大扩产布景下预期市占率的考量等。2023年待扩产硅片规划依然超200GW,考虑到2023年硅料价格松动预期,支撑职业进一步扩产的动力将更倾向于新老玩家在中长 期维度本身市占率的考量以及落后产能晋级需求。从存量更新维度,咱们以为年均80~100GW左右的设备替换需求是较为合理的猜测值,叠加新建产能需求,全体来看硅片环节的扩产仍将坚持相对高位。
2022年海外直接客户订单上升趋势显着。曩昔光伏设备海外订单首要来自于国内企业出海,但2022年以来,印度、欧 洲等海外直接客户占比显着进步。其背面驱动要素包含:①美国、印度等国加强光伏制作本土化;②地缘政治影响冲 击欧洲动力结构,加强可再生动力布局脱节传统动力进口依靠。全球关于可再生动力,尤其是光伏运用远景益发注重, 关于具有全球竞赛力的国内光伏设备供货商而言,未来“设备出海”逻辑将得到持续强化。
钙钛矿是一类具有ABX3分子结构的晶体总称,可用于制备钙钛矿太阳能电池。此类氧化物最早被发现于钙钛矿石中的 钛酸钙化合物(CaTiO3),因而而得名,其英文名依据俄罗斯矿物学家Lev Perovski姓名命名为Perovskite。钙钛矿分子 通式ABX3中,A位离子为大半径阳离子,B位离子为小半径阳离子,X位离子为卤素阴离子。依据资料组分差异,能够 将钙钛矿资料大致分为三类:(1)复合金属氧化物、(2)有机杂化钙钛矿、(3)无机卤素钙钛矿。后两类资料一般 都包含卤素阴离子,适用于各类光电器材范畴,其间有机杂化钙钛矿是钙钛矿太阳能电池中运用最多的光活性层资料。
钙钛矿电池的优势首要包含高光吸收系数、高缺点容忍度、带隙可调、制备工艺多样、具有透光性可做叠层等。一方 面,理论上,晶硅单结电池极限功率为29.4%,而单结钙钛矿电池可到达33%左右,钙钛矿叠层电池则可达44%以上。 另一方面,实验室数据来看,1954年5月,美国贝尔实验室开宣布功率为6%的单晶硅太阳能电池以来,现在世界纪录 为隆基发明的26.81%。而自2009年日本科学家Miyasaka制备3.8%的单结太阳能电池起,经过十余年开展,2021年单结 钙钛矿电池的转化功率现已到达25.7%;2022年12月HZB科学家最新研制的钙钛矿/硅串联太阳能电池光电功率到达 32.5%,创下全新世界纪录;2022年12月全钙钛矿叠层电池功率世界纪录现已到达29.0%。
不同于晶硅道路要阅历硅料、硅片、电池片、组件四个环节方可制备晶硅组件,钙钛矿组件制备只需求单一工厂,且 出产进程耗时较晶硅大幅缩短,能耗也大为下降。 老练状况下,GW级量产后,钙钛矿太阳能电池/组件设备出资与单瓦本钱都将显着低于晶硅道路。出本钱钱:光伏领 域不同规划产能的本钱差异较大,跟着产线产能的进步,均匀建造本钱将显着下降。现在纤纳光电运转的20MW产线MW产线倍,出资额仅进步至原出资额的2.4倍。 依据协鑫光电的估量,5-10GW级量产钙钛矿电池出资额约为5亿元/GW。与之比较,晶硅设备出资包含硅料设备、硅 片设备、电池与组件设备,整套工业链设备出资额到达9.6亿元/GW左右。
2021年以来钙钛矿一级商场出资持续炽热,多方巨子出场钙钛矿。腾讯、碧桂园宁德年代跨界出资钙钛矿,①2020年宁德年代 董事长曾毓群经过控股子公司瑞庭出资参投协鑫光电pre-A轮融资,瑞庭出资持股协鑫光电约0.13%,此外,曾毓群于2022年5月5 日在成绩阐明会上称,公司钙钛矿光伏电池研究进展顺畅,正在树立中试线年参投协鑫光电B轮融资,持股5.97%; ③碧桂园于2021年参投极电光能、2022年参投无限光能。与此一起,很多专业出资组织助力钙钛矿电池企业融资,如招银世界和 杭开集团领投纤纳光电D轮融资,淡马锡出资、红杉我国、IDG本钱三家联合领投协鑫光电B+轮融资等。在本钱的助力下,职业有望得到更多人才、团队的加盟,促进技能进步和工业化加快开展。
钙钛矿电池正在加快工业化探究,2023年龙头玩家有望首先敞开GW级设备投标,钙钛矿职业量产线跨进。 从当下时点来看,据不完整计算,职业中至少已有协鑫光电、纤纳光电、极电光能3条百兆瓦级单结钙钛矿藏线投产, 许多企业中试线在建,一起也有许多企业进行GW等级产线规划,且职业在本钱+技能两层助力下有望加快开展,招引 更多玩家出场布局,咱们对钙钛矿电池的量产落地进程坚持达观。
2023年龙头玩家有望首先敞开GW级设备投标,钙钛矿职业量产线跨进。依据下流厂商的规划,部分龙头企 业估量在2024年完成GW级钙钛矿电池产线投产,考虑到设备出产、出场装置调试等时刻节奏,判别2023年会接连看 到GW等级设备的投标。依据咱们的计算,估量2023年至少有3条GW级产线敞开设备投标,且考虑到多条百兆瓦级产 线规划进展,咱们估量全年设备投标量有望超越4GW。
咱们以为GW级产线建造具有重要意义,标志着钙钛矿职业线走向GW级量产年代。关于钙钛矿电池企业来 说,GW级设备投标彰显出其坚决扩产的决计,阐明其技能、工艺或已有才能支撑GW等级产线的建造;关于设备供给 商来说,GW级设备供货商的选定能够旁边面印证设备企业在钙钛矿范畴的技能实力及量产制作才能,在首先敞开的量 产设备投标中,不同设备厂家的比例状况值得持续盯梢,职业竞赛格式将逐步明晰。此外,现在钙钛矿电池各个膜层 的资料挑选以及膜层制备工艺仍存在不同计划之间的竞赛,GW等级投标的挑选反映的是头部抢先企业的计划挑选, 或将对量产工艺构成显着影响
现在商场上关于钙钛矿的商业化运用仍有疑虑,首要会集在关于钙钛矿安稳性的质疑。以为钙钛矿资料易分化,组件 难以坚持长时刻安稳的贮存与作业,然后以为钙钛矿太阳能电池的商业化运用仍需一段时刻。咱们以为跟着实验室研制 与工业的快速推动,钙钛矿安稳性“问题”不会束缚钙钛矿电池的推行,并从以下两个维度来论述。
①理论维度:针对安稳性问题逐个击破,已有多种解决计划 。针对钙钛矿资料本身安稳性欠安,易受环境、界面要素影响构成功率下降的问题,从改善资料配比、钝化缺点、优化 封装、改善界面等多个视点已有解决计划。且钙钛矿资料对杂质容忍度远高于晶硅,能够防止晶硅上常见的LID、PID 和LeTID等衰减。 ②实践维度:实验室器材安稳性快速进步,工业化稳步推动 。实验室层面,现已完成接连强光照耀9000小时不衰减。工业层面,已有厂商组件供给12年产品资料与工艺质保,25年 线性功率输出质保。
钙钛矿电池一般包含通明导电基底、电子传输层(ETL)、钙钛矿吸光层、空穴传输层(HTL)、金属电极。其间, 电子传输层(ETL)、钙钛矿吸光层、空穴传输层(HTL)为制备工艺的中心环节,最中心环节即钙钛矿吸光层的制 备。通明导电基底层可外采导电玻璃或柔性片;金属电极能够经过运用金属真空蒸镀取得。 干法镀膜设备(含PVD、RPD、ALD)、涂布设备、激光设备、封装设备为钙钛矿电池制备四大设备。其间,干法镀 膜设备(含PVD、RPD、ALD)、涂布、激光设备价值占比别离约50%、20%、10%。结晶设备一般为电池企业自主设 计制作。
干法镀膜(含PVD、RPD、ALD)设备:运用于制备阳极缓冲层、阴极缓冲层、背电极。 国内钙钛矿范畴干法镀膜设备供货商包含京山轻机捷佳伟创奥联电子、欣奕华、微导纳米奥来德、宏大线月,晟 成与协鑫光电钙钛矿叠层电池技能协作开发协议签约典礼在昆山举办。两边约定在晟成树立异质结钙钛矿叠层电池实验线,协鑫光电 供给钙钛矿电池的工艺技能,晟成供给工艺设备及组件封装设备,晟成依据工艺需求开宣布异质结及钙钛矿电池的中心制作设备。晟 成的光伏钙钛矿电池团簇型多腔式蒸镀设备完成量产,并成功运用于多个客户端,其为钙钛矿电池制备进程中钙钛矿资料及金属电极 资料的蒸镀设备。2022年8月,华中科技大学微纳中心陈蓉教授团队与姑苏晟成光伏设备有限公司在姑苏签定技能战略协作协议,在光 伏原子镀膜技能协作上树立长时刻深层次的全面战略伙伴关系,进行光伏原子镀膜技能开发,将新式镀膜技能运用至光伏商场。
激光设备:运用于串联电池等,首要包含激光膜切与激光清边。钙钛矿电池制备进程中,激光膜切指运用激光工艺刻划P1、P2、 P3层,阻断导电,然后构成单个模块。(a)导电玻璃刻蚀时,确保刻蚀线宽和刻蚀线距离的精确性,不损害基板玻璃;(b)刻 蚀钙钛矿吸光层时,要求激光刻蚀线宽和激光刻蚀线层的FTO;(c)蚀刻P3银浆层、镀金层或碳粉层时,确 保激光蚀刻洁净,激光蚀刻线宽和激光蚀刻线距离精确,蚀刻进程中不会损害P2层。激光清边指运用激光工艺将电池边际的各 层堆积膜清除去。
国内钙钛矿电池激光设备供货商首要包含大族激光德龙激光杰普特迈为股份海目星帝尔激光等。杰普特已有产品运用 于钙钛矿电池。其研制的柔性钙钛矿膜切设备首要用于柔性钙钛矿薄膜切开,运用优化的超短脉冲激光工艺,经过高精度视觉定 位、运动操控及光束整形技能,有用下降了钙钛矿薄膜电池死区宽度,使得钙钛矿太阳能电池出产功率进一步进步。2021年8月 杰普特为大正微纳定制的全球首套柔性钙钛矿膜切设备经过检验并正式投入运用。
光伏职业在当下晶硅占肯定干流的年代,我国凭仗资源优势、制作优势,供给了全球大部分的光伏组件。依据CPIA数 据,从组件工业布局来看,2021年我国大陆产能到达359.1GW,约占全球总产能的77.2%;产值到达181.8GW,约占 全球总产值的82.3%。 展望未来,当薄膜或许叠层年代到来的时分,应战与时机并存。(1)应战来自薄膜或许叠层电池愈加依靠的是新材 料技能、大面积镀膜工艺等,资源禀赋的束缚有限,全球光伏与光伏设备的竞赛格式都或许被重塑,由于发达国家在 新资料方面的研制进展愈加抢先,在面板镀膜设备方面遥遥抢先,而面板镀膜设备匹配大面积特征,只不过现阶段用 在光伏范畴会让设备投入过高。(2)时机来自薄膜或许叠层电池经济性会大幅添加,组件本钱甚至有时机降至0.5元 /W以下,那么光伏终端需求会被进一步激起,年度新增产能有望快速添加。
怎么坚持领导地位?我国企业假如能够运用好在晶硅年代堆集的很多人才优势,以及在薄膜或许叠层中试线与量产线 落地的先发时刻窗口优势,经过中心零部件国产化完成大面积镀膜设备的大幅降价与镀膜良率进步,经过钙钛矿配方 的改善,以及通明导电玻璃与胶膜等资料的迭代,完成钙钛矿量产落地和量产经济性,那么不只能够持续在薄膜或许 叠层年代坚持领导地位,还有助于完成面板镀膜设备的进口代替,可谓一箭双雕。
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2024-March-16
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