原创 || 光伏电池片技术路径比较研究
随着全球碳中和进程不断加速，叠加光伏发电成本持续下行，经济性不断提升，光伏装机需求在未来一段时间内将持续高增长的趋势。电池片作为光伏发电的核心部件，其技术路线和工艺水平直接影响光伏组件的发电效率和使用寿命。各光伏电池片公司基于其对未来趋势的理解，对于光伏电池片技术路径的选择也不尽相同。本文将聚焦于光伏产业链中技术迭代速度最快的中游电池片环节，对当前光伏电池片市场主流的 PERC、TOPCon、HJT、IBC和钙钛矿五种电池片技术的工艺路线、转换效率、基于目前市场环境的优点以及局限性等方面进行比较和分析。
什么是光伏电池片
光伏电池片位于光伏产业链中游，是通过将单/多晶硅片加工处理得到的可以将太阳的光能转化为电能的半导体薄片。从电池片的必要性来看，光伏发电的原理来自于半导体的光电效应，通过光照使不均匀半导体或半导体与金属结合的不同部位之间产生电位差，是由光子（光波）转化为电子、光能量转化为电能量后形成电压和电流的过程。上游环节生产出来的硅片无法导电，经过加工处理得到的电池片赋予了光伏组件发电能力。
光伏电池片当前主流技术分为两大类，晶体硅和薄膜，而中国主要在晶体硅技术中领先全球。早期技术主要来自国外的理论基础，但在欧美专家10年前转型薄膜技术时，中国在晶体硅技术上实现了突破。相比薄膜电池，晶体硅电池有很大的性价比优势，适用度也相对广泛。从全球出货量看，晶体硅占95%以上，而薄膜电池只有5%以下，因此晶体硅技术占绝对的主导地位。晶体硅又细分为单晶和多晶技术，隆基绿能将单晶技术的工艺制造流程进行优化，大大降低了单位制造成本，使得单晶技术成为市场主流，大概占总出货量的98%。单晶硅原料目前有P型硅片和N型硅片，P型硅片的主流技术为PERC；N型硅片的技术包括TOPCon，HJT（异质结）和IBC等。
我国光伏电池片技术路径发展历程
从我国光伏电池片市场发展来看，我国光伏电池片技术路线可分为三个阶段：第一个阶段是2015年以前，主要采取多晶Al-BSF技术；第二阶段是2015-2017年，单晶PERC电池投资吸引力凸显，国内厂商开始加码PERC电池生产；第三阶段是2018年至今，PERC电池产能实现爆发式增长。
目前我国光伏电池片技术路线主要包括PERC、TOPCon、HJT、IBC及钙钛矿等。其中PERC技术为主流路线，TOPCon、HJT等属于下一代高效电池技术路线的潜在方向，而IBC和钙钛矿为未来技术，尚处于实验和验证阶段。
我国光伏电池片技术路线情况
短期内PERC电池仍是我国光伏电池片最主要的电池产品。根据中国光伏行业协会（CPIA）统计，2019年PERC电池技术占据了超过65%的市场份额，2020年，PERC电池片市场占比进一步提升至86.4%，，2021年PERC电池片市场占比达到了91.2%，而N型电池（主要包括HJT电池和TOPCon电池）相对成本较高，量产规模仍较少，当年合计市场占比不足3%。但PERC电池转换效率已接近理论极限，提效空间有限。当前 PERC 电池平均量产转换效率为23.2%，理论转换效率极限为 24.5%，量产效率已逼近其效率的理论极限，导致PERC电池转换效率很难再有大幅度提升。随着业内对N型技术的持续攻克，多家企业在生产技术上先后取得突破，市场呈现出了以P型单晶PERC电池为主流，TOPCon、HJT和IBC等N型技术为代表的多样化发展局面。
各技术路线的优劣势比较
对于光伏电池片主流技术未来发展的判断
TOPCon具有转换效率高、与现有PERC产线可兼容、电池参数性能优异等优势，在PERC提效面临瓶颈、HJT投资回报周期/成本下降仍需时间优化的背景下，TOPCon是过渡时期最具有发展空间的光伏电池技术之一。TOPCon电池目前量产效率在 24.5%-25%左右，实验室效率最高达到 26.1%(由晶科能源于 2022 年实现)。据权威测试机构德国哈梅林太阳能研究所（ISFH）测算，TOPCon 理论极限效率为 28.7%，高于HJT的理论极限效率 27.5%，未来量产效率仍然有很大提升空间。TOPCon与PERC产线具有兼容性，可基于 PERC 产线进行改造升级。目前新建 PERC产线的设备投资额为1.2-1.5亿元/GW，新建TOPCon产线设备投资额为 1.8-2.3亿元/GW，新建 HJT 产线设备投资额为4亿元/GW。从PERC升级至 TOPCon则设备投资额为 0.6-0.8 亿元/GW，能有效降低设备投资成本。2022年光伏N型电池逐步步入量产时代，其中TOPCon率先达成规模化量产，我们预计2022年底TOPCon产能将达70GW+，全年有效产能约30GW，渗透率7-10%，2023年大规模TOPCon产能将持续落地，2023年底产能将近280GW，全年有效产能超150GW，渗透率提升至20-30%。HJT因为光电转换效率高，双面率高，设备工艺流程简化，产品光衰减低，稳定性强，降本增效空间大且前景广阔，是新一代电池技术的发展方向。目前量产微晶HJT平均效率24.95%，良率96.4%，相较其他电池有明显提效优势。2022年11月19日，隆基绿能自主研发的硅异质结电池转换效率达到26.81%，隆基对该记录的定义——是通过可量产设备、可量产技术和全硅片大面积创造的。单纯比效率，HJT不如TOPCon，但HJT可以与IBC或钙钛矿叠加，使光电转换效率提升至30%以上。除了效率的提升空间大，HJT在发电性能上也颇具优势。光致衰减低、双面率高、温度系数低、弱光效应以及载流子寿命长等特点，使HJT双面电池比PERC双面电池的每瓦发电量高出5到12个百分点。工艺步骤上，相比于PERC的10道工序、TOPcon的12至13道工序，HJT只需4步即可完成，工艺步骤的简化带来的是良率的提升。设备投资成本上HJT与TOPcon不同，HJT产线与PERC产线完全不兼容，只能把整条产线全部换掉，每GW的设备投资成本在4.5亿元左右，平均比PERC高2.5亿元左右，比TOPCon高2亿元左右。综上我们判断，随着HJT降本增效进展持续推进，2023年HJT将成为越来越多存量电池片厂商关注的晶硅电池的解决方案。
近几年电池片技术路线各有千秋，争芳斗艳。不同电池技术格局特点均有所不同。结合不同技术路线发展背景，转换效率、电池成本、工艺复杂性、与存量产线的兼容性以及应用场景等因素，短期看TOPCon与IBC电池将通过差异化市场需求并行发展，中长期来看，TOPCon、HJT电池将成为未来产业化主流。我们认为近两年TOPCon技术凭借产线兼容性，设备改造上相对低的成本，使其成为光伏电池片市场过渡时期的主流技术。通过比较各技术路径在技术上兼容性以及后期产业化的设备以及规模化生产上的优劣势，我们发现随着HJT提效降本技术以及金属化技术降本落地，2022年HJT扩产情况超预期，年初预计全年新增扩产20-30GW。TOPCon完成过渡阶段的使命后，下一步将由HJT形成统一路线。
作者简介
许文科 东兴证券股份有限公司济南文化西路营业部 财富主管
李振 东兴证券股份有限公司山东分公司助理总经理