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N型光伏电池的三条路线：TOPCON，HJT以及IBC 电池技术
电池技术迭代驱动光伏降本增效，N 型电池有望接棒成为主流
Edited by 4thInstitute
【摘要】
1)2020年PERC电池市占86.4%已基本完成多晶产能替换;
2)TOPCON可沿用PERC60%产能改造是未来2-3年性价比路线选择;
3)HJT有望成为下一代主流技术预计未来三年设备规模422 亿元;
4)IBC/HBC:高效率 高门槛，尚处技术储备期;
一、PERC产能已基本完成替代
2020 年，PERC电池市占率达86.4%，已基本完成多晶产能替换，产品溢价不再，单瓦盈利逐步下行。且新投 PERC 电池产线已基本实现设备国产化，设备投资成本降至 22.5 万元/MW，同比下降 25.7%，单晶 PERC电池片成本下降至约 0.7 元/W，非硅成本下降至 0.23 元/W，降本空间趋近极限。
二、晶硅电池技术方向：
早期Al-BSF 技术在光伏电池市场一直独秀，转化效率约为20%左右。目前市场上主流的PERC电池光电转化效率已实现23%，2019年隆基已可将 PERC 电池效率提升至 24.06% ，而PERC 电池理论极限效率在 24.5%。
典型的PERC 太阳电池生产线布局图：
展望未来，N 型电池效率提升潜力大、投资成本不断降低，目前转化效率已突破平均24%以上，当前路线主要为三种N 型电池片技术：TOPCON 电池技术，HJT电池技术以及IBC 电池技术
N 型电池优势显著，有望接替 P 型成为主流。晶硅太阳电池可以用传统 P 型硅片，也可以用N 型硅片来制作。P 型电池最主要的问题在于硼氧对引起的衰减，而掺磷的 N 型电池硼含量极低，从本质上消除了硼氧对带来光致衰减的影响。此外采用 N 型硅作衬底，具有少子寿命高、对金属杂质的容忍度高，适合双面电池设计（双面率90%）等优点。目前产业界量产平均转换效率大于23%的电池均为N 型电池（N-PERT、TOPCON、HJT 等）。
预测2020-2030 年TOPCon 和HJT 电池占比大幅提升：
2.1 TOPCON：
TOPCON 电池是在 N 型电池工艺的基础上研发出的隧穿氧化层钝化接触技术，该技术可大幅度的提升N 型电池的VOC 和转换效率。虽然TOPCON 电池转化效率上限较高，但其背面收光较差，量产难度较高，同时良率较低。
TOPCON 的核心优势在于：
1）理论转化效率上限高，其中基于POLO2-BJ 结构，TOPCON理论效率 28.7%，接近晶硅极限；
2）可基于现有PERC 产线升级改造，国内PERC产能60%可改造为TOPCON，因此面临大规模老产能折旧计提压力，改造成TOPCON是拉长设备应用周期是较优选择。但限制TOPCON 量产核心因素在于良率普遍95%以下，且当前成本仍然偏高，工艺路线仍未完全定型。
TOPCon 电池的极限理论效率 28.7%，目前平均量产效率约 24%，最高效率超 25%，相比 P型电池有更高的提升空间。另一方面，TOPCon 与现有 PERC 产线兼容，只需非晶硅沉积和镀膜设备便可进行升级，单 GW 改造成本在 0.5-1 亿元，预计未来硅片和银浆降本将带动产业化提速。因此，在面临大规模 PERC 产线设备资产折旧计提压力下，改造为 TOPCon 拉长设备使用周期，降低沉没风险，是未来2-3 年具备性价比的路线选择。
2.2 HJT：
HJT 技术则是通过增加一层非晶硅异质结来提高 VOC 开路电压，从而提高电池片的转换效率。HJT 效率可达 23%-24%，工序少、可实现量产，且电池各项参数均较优。但是其设备贵、投资成本高，银浆及靶材成本较高，成为阻碍其大规模产业化的一点。
HJT 降本增效路径清晰，有望成为下一代主流技术：
HJT 电池优势一方面体现在其高转化效率，有效降低发电端成本；更重要的是，考虑到衰减率低、双面率高、温度系数低、弱光效应等诸多优势，HJT双面电池相较于 PERC全生命周期每 W 发电量高 5~11.8%。随着硅片、非硅、产能成本持续降低，我们预计 2021、2022 年底 HJT 成本可达到 0.79、0.68 元/W，其中 2021 年与当前 TOPCON 成本相当，2022 年与当前 PERC 成本相当。且目前通威、华晟、爱康等厂商 HJT 量产化进展顺利，预计未来三年设备市场规模有望达到422 亿元。
2.3 IBC：
IBC 电池在当前各电池技术中效率最高，可以达到 24%以上，单由于 IBC 技术难度极高，设备投资高，成本高，国内尚未实现量产，目前布局的企业主要为sunpower，后被中环收购后吸纳技术。
IBC 技术路径仍未成熟，长期叠加工艺具备潜力：
IBC 电池由于其叉指式背接触的优良结构，早期效率就超过了 25%。但 IBC 也是商业化晶体硅电池中工艺更复杂、结构难度更大、成本更高的技术，短期量产存在一定难度。但由于可以与 HJT/TOPCON 电池技术相结合，制备 HBC/POLO-IBC 电池，能够继续提升效率至 26%以上，代表晶硅电池最高效率水平，在特定应用场景具备较强优势。
IBC 技术路径仍未成熟，长期叠加工艺具备潜力：
IBC 电池由于其叉指式背接触的优良结构，早期效率就超过了 25%。但 IBC 也是商业化晶体硅电池中工艺更复杂、结构难度更大、成本更高的技术，短期量产存在一定难度。但由于可以与 HJT/TOPCON 电池技术相结合，制备 HBC/POLO-IBC 电池，能够继续提升效率至 26%以上，代表晶硅电池最高效率水平，在特定应用场景具备较强优势。
光伏高效池各技术路线及其厂商对比：
三、TOPCON挖掘现有产线生命周期，工艺优化持续推进：
3.1TOPCon电池技术进展与效率提升的历史：
3.2TOPCon部分产能布局：
3.3各厂商加速布局TOPCon 电池片和组件的研发与量产：
3.4工艺路线及其装备：
TOPCon 电池成本主要由硅片成本和非硅成本构成，非硅成本主要由折旧、浆料及靶材组成，目前较 PERC高 0.05-0.09 元/W 左右。TOPCon 电池降本路径，主要有降低硅材用量、减低银浆用量、降低设备价格、简化工艺、提升规模效应等。
1）硅片：TOPCon多采用 N 型硅片，目前较 P 型溢价 7%，所用硅片 166尺寸对应厚度为 170μm 左右（182 对应 180μm），未来硅片薄片化及大尺寸将推动硅片成本下降；
2）银浆：TOPCon电池采用高温银浆，耗量在150mg/片左右，高于双面PERC电池高温银浆耗用量85mg/片，未来随着多主栅技术应用和银铝浆的使用及贱金属替代，银浆成本有望下降;
3）折旧：TOPCon电池导入了 3 项新的工艺，产线需要增加 3 台新设备，同时，扩硼工艺比扩磷工艺难度大，需要更多的扩散炉，因此 TOPCon电池的投资成本比 PERC 电池高 10%左右，单 GW 设备投资额为 2~2.5亿元，PERC 产线升级为 TOPCon 单 GW 设备投资额为 0.6~0.8 亿元，未来随着设备效率提升及设备价格下行，折旧成本有望进一步下降。
3.5TOPCon不同沉积技术路线比：
3.6TOPCon与PERC 电池技术工艺及设备改造情况HJT 产能布局：
四、HJT
相比TOPCon 电池技术，HJT电池工艺环节大大减少，仅有四步，分别是清洗制绒、非晶硅沉积、TCO镀膜和丝网印刷，其中清洗制绒和丝网印刷延续 PERC 工艺，差异点在于非晶硅薄膜沉积和 TCO 膜的沉积，而工艺环节的减少有利于降低后续良率提升和成本降低的难度。
HJT 电池各厂商效率：
HJT 电池现有与规划产能情况：
HJT 电池工艺流程及相关设备
HJT 电池设备价值量分布
HJT 三大设备供应商路线：
HJT 产线所用设备均已实现国产化替代:
五、IBC/HBC：高效率 高门槛，尚处技术储备期：
IBC电池（全背电极接触晶硅光伏电池）将PN结和金属接触都设于太阳电池背面，电池片正面采用SiNx/SiOx双层减反钝化薄膜，没有金属电极遮挡，最大限度地利用入射光，减少光学损失，带来更多有效发电面积，拥有高转换效率，外观上也更加美观，尤其适用于光伏建筑一体化，具有较好的商业化前景。
HBC电池（交叉指式背接触异质结太阳电池）采用氢化非晶硅作为双面钝化层，具有优异的钝化效果，能够取得更高的开路电压。在生长PN结的工艺中采用区域型掩膜掺杂，降低了载流子的复合损失。HBC将HJT技术应用于IBC电池结构，集合了两者的优点，同时具备IBC电池的高短路电流以及HJT电池的高开压，所有工艺都在200℃下制作完成，无高温扩散掺杂过程。
HBC 电池研发效率记录
技术挑战和工艺要求是主要发展障碍。虽然效率优势显著，但IBC和HBC电池仍面临不可忽视的技术挑战：
IBC电池对基体材料要求较高，需要较高的少子寿命；对前表面的钝化要求较高；背面指交叉状的P区和N区在制作过程需要多次的掩膜和光刻技术，且P区和N区之间的gap区域需非常精准。
HBC电池在继承了IBC和HJT电池优点的同时也保留了两者各自生产工艺的难点：本征和掺杂非晶硅镀膜工艺窗口窄，对清洁度要求极高；需要低温组件封装工艺；正负电极都处于背表面需要严格的电极隔离工艺；制造流程复杂
IBC 电池工艺流程
目前IBC/HBC电池制造工艺复杂，技术门槛高、制造成本高，属于研发储备中的技术路线。国际上IBC技术最成熟的量产企业是SunPower和LG，其中SunPower研发IBC技术较为成熟，量产产能达到1.2GW，转换效率提升到25%，LG量产效率达24.5%。HBC方面，仅有松下表示其HBC技术已进入可量产阶段。
国内方面，2021年5月，国家电投“青海产”中国首条量产规模IBC电池及组件生产平均效率超24%，单片电池功率提高约10%，达到国内最高水平，跻身国际先进行列；中环股份控股从SunPower拆分出来的Maxeon Solar以实现产业协同，于2021年6月推出使用IBC技术的Maxeon Air无边框组件；爱旭股份于2021年4月发布非公开发行A股股票和签订投资协议公告，公司在IBC、HBC 和叠层电池的量产技术领域取得了显著的研究成果，拟投资珠海6.5GW和义乌10GW新世代高效太阳能电池项目。来源：4thInstitute作者：4thInstitute
IBC/HBC产业化发展进度：
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