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        2018年全球光伏設備電池片技術前景:國內電池片格局、PERC電池片、HIT電池技術分析[圖]

        2019年09月23日 13:42:13字號:T|T

            光伏作為一種全球廣泛認可的清潔能源,近年來發展十分迅猛。根據國家能源局數據,2018年中國光伏新增裝機容量44.1GW,光伏累計裝機達到了174.6GW。而2018年全球光伏新增裝機約為104GW,累計裝機容量達506GW。2018年中國新增裝機容量占全球的42.4%,同時全球光伏產業主要集中在中國,其中多晶硅占57.8%,硅錠硅片占89.6%,光伏電池占72.6%,光伏組件占72.0%。因此,中國已成為全球最大的光伏市場和產業基地。

        2000-2018年全球、中國累計裝機容量及增速(單位:GW)

        數據來源:公開資料整理

            只有當度電成本真正低于燃煤電價,新能源替代傳統能源才會產生經濟效應,也才會真正迎來行業內生式的發展,因此全球各國光伏行業的發展都伴隨著度電成本的下降。根據調查數據顯示,2010-2018年,各主要光伏發展國家度電成本下降幅度都達到60%以上;而中國這一數字達到77%,幅度位于世界前列。

            由于光伏系統成本分為技術成本、非技術成本。技術成本主要是組件價格,而非技術成本包括稅收、租金、接網費等其他費用。未來平價上網的進程,依賴于技術成本和非技術成本的下降,使得系統成本趨于最小。

        2011-2018.7光伏組件價格走勢(單位:美元/W)

        數據來源:公開資料整理

            由于非技術成本的降低更多在于政策、人為對市場的規范,調整后可見較好效果,但降本潛力不大。預測,非技術成本在2018年之后呈現水平直線,顯示出成本的剛性,預計絕對值下降空間不大;因此未來要實現平價上網,更多要依靠技術成本的下降,而未來技術成本下降更多的依賴于技術進步,使得系統發電小時數大幅提高,從而實現度電成本下降。

            一、電池片技術

            隨著光伏行業快速發展、技術快速進步,光伏設備行業亦處于增長周期。據調查數據顯示,2018年全球光伏設備市場規模達48億美元,同比增長7.62%。根據調查數據顯示,硅料及硅片生產設備、電池片生產設備、組件生產設備的市場空間占比約為1:2:1,因此2018年全球光伏電池片設備市場規模約為24億美元。

        2013-2018年全球光伏設備市場規模及增速(單位:GW)

        數據來源:公開資料整理

            回顧光伏行業的發展,核心始終是通過技術進步推動度電成本降低,達到平價上網的目的。從金剛線切割革命到PERC技術普及以及半片、疊瓦等組件技術的應用,光伏行業技術近年來有顯著升級趨勢。而電池片方面,2018年PERC電池已成標配,同時新一代光伏電池片技術也正在展望。

        2018年國內光伏設備公司排行

        數據來源:公開資料整理

            目前光伏電池片生產工藝主要包括制絨清洗、擴散制結、刻蝕、制備減反射膜、印刷電極、燒結及自動分選等7道工序。

        光伏電池片工序

        生產工序
        內容
        關鍵設備
        國內主要廠商
        國外主要廠商
        制絨清洗
        用酸(或堿)將硅片表面切割損
        傷層除去,再用化學溶液在硅片
        表面制備出減反射絨面
        制絨清洗設備
        捷佳偉創、上海思恩、張
        家港超聲、上海釜川、北
        方華創
        -
        擴散制結
        把硅片放在管式擴散爐的石英
        容器,在高溫下使用氮氣將摻雜
        物質通過硅原子之間的空隙向
        硅片內部滲透擴散,形成PN結。
        擴散爐
        捷佳偉創、豐盛裝備、中
        電集團公司48所、北方
        華創
        TempressSystems,Inc.、
        CentrothermPhotovoltaics
        AG
        刻蝕
        通過化學腐蝕法去除摻雜后的
        硅片邊緣的PN結合表面的磷硅
        玻璃層
        刻蝕設備
        捷佳偉創、蘇州聚晶
        Schmid、RENA
        制備減反射膜
        通過在電池正面生長減反射膜
        減少光的反射
        管式PECVD
        設備、連續式
        PECVD設備
        捷佳偉創、北方華創、豐
        盛裝備、中電集團公司48
        CentrothermPhotovoltaics
        AG、Roth&Rau、Tempress
        Systems,Inc
        印刷電極
        通過“絲網印刷”制備前后電極
        絲網印刷設備
        邁為股份、科隆威
        Micro-Tech、Baccini
        燒結
        通過高溫燒結形成良好的歐姆
        接觸
        快速燒結爐
        邁為股份、捷佳偉創
        CentrothermPhotovoltaics
        AG
        自動分選
        對不同轉換效率的電池片進行
        分檔
        自動分選機
        捷佳偉創、羅博特科、先
        導智能、無錫江松
        Jonas&Redmann、
        Schmid、MANZ

        數據來源:公開資料整理

            二、PERC

            PERC,即鈍化發射極和背面電池技術,最早在1983年由澳大利亞科學家MartinGreen提出,目前正在成為太陽電池新一代的常規技術。由于常規產線升級為PERC產線步驟簡單,且與其他技術兼容性好,可大幅提升系統發電效率等,PERC電池目前已成為光伏行業電池片主流。

            PERC技術通過在電池的后側上添加一個電介質鈍化層來提高轉換效率,其核心在于為常規光伏電池增加全覆蓋的背面鈍化膜。鈍化工序是通過降低表面載流子的復合來減小缺陷帶來的影響,從而保證電池的效率。相比于常規光伏電池生產流程,PERC電池多出兩個步驟:沉積背面鈍化層、開口以形成背面接觸。

        2018年市場主流晶硅太陽能效率水平

        數據來源:公開資料整理

            PERC技術對常規電池產線有很好的兼容性,只需在常規電池的基礎上增加背面的氧化鋁+氮化硅的工藝+激光開槽的工藝就能夠實現PERC電池的升級。因此,該升級只需較少的資本投入,即可獲得電池效率較高的提升,其中單晶電池的轉換效率提升高出1個百分點,而多晶電池僅為0.5-0.8個百分點。

            由于高低效率電池片之間有合理價差,假設一塊60片標準組價的封裝成本是230元,電站建設過程中的面積成本為500元,則可估算到60片PERC電池片、常規電池片之間的合理價差為0.116元/W。假設改造后PERC產線可用三年,則非硅成本可增加約0.033元/W。因此改造后,每瓦電池片可以多掙到0.083元,1GW產線改造費用一年幾乎就可以收回。因此產業對PERC產線改造抱有極大的熱情。而如果PERC電池片、常規電池片之間價差超過0.116元,則可獲得超額收益。

            2019年初至8月7日,高效單晶電池片價格由1.22元/W下滑至0.98元/W,下滑幅度為22.76%。之前,高效單晶、常規電池片的價差一直維持在0.2元/W之上,享受較高的超額收益。而今年以來,兩者價差從最高時0.27元/瓦,縮小至目前的0.12元/W,已至合理價差為0.116元/W。預計PERC電池、常規單晶電池將保持合理價差,未來PERC超額利潤將消失。

        2018年底各環節的有效產能與產量(單位:GW)

        數據來源:公開資料整理

        2018-2021年PERC電池產能及預測

        數據來源:公開資料整理

            2018年新建國內產線已全部為PERC產線,原有產線也在加快PERC線升級。根據調查數據顯示,2018年已經占到電池片產能超過54%的份額,2019年預計會持續上升,達到73%。在電池片行業有供給偏松情形下,PERC電池的全面普及使得產品差異化較小,同時行業格局較為分散,因此PERC電池超額利潤減少。

        PERC電池產能較為分散

        數據來源:公開資料整理

        2016-2022年下一代N型電池占比逐年提升趨勢

        數據來源:公開資料整理

            2018年PERC電池已成標配,超額收益正在消失,因此下一代光伏電池片技術正在躍躍欲試。而傳統的晶硅電池理論極限效率為29%,因此在晶硅電池路線上產生顛覆性技術的概率在不斷降低。目前電池片技術正由P型向N型轉變,主流的技術路線包括N-PERT、N-TOPCon、HIT以及IBC,2018年各項全球產能分別約為2.1GW、2GW、3.8GW以及1.5GW,N型產能共計約9.4GW。

            三、HIT

            HIT作為一種具有行業前景的電池片技術,具有眾多技術優點,其中工藝簡單、雙面發電、無衰減、可薄片化,使其具備較高的發展潛力。而目前大規模量產瓶頸主要在于設備成本高,技術控制難,環境要求高等。

        HIT技術優點及量產瓶頸

        HIT技術優點
        HIT技術優點
        工藝簡單,結構
        設備成本高,暫未成熟
        雙面發電,提升轉換效率
        前道硅片表面清潔化要求高
        無光致衰減
        漿料連續印刷穩定性難控制
        適用于薄片化
        焊帶拉力的穩定性控制難
        低溫工藝,最高不超過200度
        后道必須使用高成本低溫工藝和材料

        數據來源:公開資料整理

            目前,HIT核心設備仍主要由國外廠商提供,國產化替代進程處于發展初期,目前可提供制絨、非晶硅沉積、TCO設備,預計于今年年底實現HIT整線設備全面國產化,并投入客戶端全面進行量產驗證。

            由于轉換效率高,高效電池片、PERC電池片必然有合理價差。假設HIT電池片效率為23%,相比PERC電池效率為21%,則合理價差大概在0.132元/W。目前,HIT電池進口設備約為8-10億元/GW,設備投資是PERC的2-3倍。假設PERC產線的投資金額為3億元/W,HIT產線投資金額為9億元,BOS成本730元/60片,假設HIT產線生產3年,則非硅成本相比PERC產線將高出0.20元/W,因此合理價差并不能覆蓋非硅成本的增量,因而在這種情況下HIT產線投資并不具備經濟效應。

        預測HIT電池片相對PERC電池每瓦多掙(單位:元/W)

        -
        HIT電池片
        HIT產線投資金額(億元/GW)
        10
        9
        8
        7
        6
        5
        4
        3
        合理價差(元/W)
        0.132
        0.132
        0.132
        0.132
        0.132
        0.132
        0.132
        0.132
        非硅成本變化(元/W)
        0.23
        0.2
        0.17
        0.13
        0.1
        0.07
        0.03
        0.23
        HIT電池片相對PERC電池多掙(元/W)
        -0.1
        -0.07
        -0.03
        0
        0.03
        0.07
        0.1
        0.13

        數據來源:公開資料整理

            當HIT電池設備投資大約在7億元/GW,HIT產線的盈利能力與PERC電池相當;而當HIT電池設備投資進一步降低,每下降1億元/GW,每瓦電池片毛利可提升0.03元,若HIT電池設備與目前PERC產線投資額相同為3億元/GW,則相比PERC,可實現0.13元/W的超額收益。

            由于高效硅片具備攤銷BOS成本的效應,因此在高BOS成本地區,如美國、歐洲等發達國家,HIT高效電池將具有經濟性,而對于發展中國家如非洲、東南亞等地區,常規產線如單晶、PERC更具價值。而合理價差跟BOS成本成正比,在BOS成本高的地區HIT產品可以賣出更高的價格,因此雖然目前HIT設備價格較高,仍然在BOS成本高的地區已有經濟性,未來隨著設備價格的下降,預計HIT的市場份額將顯著提升。

        2018年中國7家HIT廠商實際產量(MW)

        數據來源:公開資料整理

            預測,HIT技術有望成為未來N型電池中最主要的技術路線,預計到2023年N型電池產能將達到26.4GW,而HIT電池產能將達到14.5GW,相比2018年HIT產能提升約4倍。

            光伏產業中電池片的生產過程與半導體頗為相似,都是利用硅材料的特性實現不同的電學反應。兩者所用的基礎原材料都是硅,不同的是純度不同。半導體級硅材料純度達到9-11個9等級,而光伏只需達到6個9等級。另外,兩者原理頗為相似,都是在硅片上制作PN結,因此在擴散制結、刻蝕、薄膜沉積環節較類似。

            在2000年后,技術方向方面,半導體已進入發展成熟階段,行業的推動更多來源于先進制程工藝的提升,整個行業也在進行工藝提升競賽。而對于光伏,行業已發展到平價上網的前夕,因此整個行業的目標在于通過技術進步早日實現平價上網,使得整個行業迎來內生驅動式發展。因此,在未來一段時間,預計整個光伏行業的注意力在于如何通過技術升級來推動發電量增加,達到度電成本的降低。其中,設備國產化是一條行之有效,且行業發展的必由之路。

        2018年光伏產業各環節中國產量占比

        數據來源:公開資料整理

            相比國內集成電路進出口逆差金額持續擴大,光伏產業經過多年激烈的市場競爭,以及國家政策的支持,目前全球光伏產業主要集中在中國。

            2018年國內各環節產品的產量占全球總產量的58%~90%之間。由于產業大部分在國內,下游電池片廠商因為尋求降本,而有動力與國內電池片設備廠商合作研發實現設備國產化,因此對設備廠商的研發環境更加友好,使得電池片設備的國產化更加容易。

            假設進口產線投資額為8億元/GW,而國產化后投資額為4億元/GW。在投資生產1GW的光伏電池中,可節省6億元投資。假設利用小時數1200,假設產線能使用5年,則可計算出一共可發出60億度電。則相對進口產線,國產化產線可使得每度電成本節約0.067元。而由于在臨界光伏平價的前夕,降低度電成本將變得愈加困難,國產化設備毫無疑問是達到平價上網的最有效方法之一。

            光伏是半導體的降維應用,兩者的內在驅動力中,技術進步因素都占據至關重要的地位。由于行業會一直長期發展下去,因此任何技術進步帶來的度電成本的降低都將吸引投資商進行設備的更新,只有這樣才能充分利用效率帶來的回報。因此,就目前大熱的PERC到未來的HIT技術等,每一輪的技術更替都會拉動新的電池片設備需求,同時也會對設備龍頭公司的技術領先性進行強化。

            相關報告:智研咨詢發布的《2019-2025年中國電池片行業市場需求預測及投資未來發展趨勢報告

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