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      光伏設備行業深度報告:HJT產業化發展潛力探析

      瀏覽:443 時間:2022-01-05
      溫州以拓電氣有限公司,光伏并網柜,光伏直流匯流箱

      本篇報告認為設備是解決 HJT 效率提升和成本下降兩大產業化難題的關鍵點之一,結合 HJT 電池的制造特點,通過梳理主流廠商 PECVD 和 PVD 設備的工藝技術路線、設計理念和發展現狀,探究了 HJT 設備產業化的發展潛力, 認為通過多角度挖潛,PECVD 和 PVD 設備降本提效仍具挖潛空間,看好國產設備廠商與下游電池廠商共同推進 HJT 產業化到來。

      HJT 設備產業化:量產穩定性與成本競爭力的有效平衡

      我們認為,HJT 設備需兼顧量產穩定性和成本競爭力方能實現真正意義上的產 業化,這意味著在設備和工藝的磨合聯動下,設備端在不增加或僅增加少量硬 件成本的情況下實現單臺設備產能的提升,且電池端可連續、穩定地生產和制 造平均量產效率高出 PERC 1.5%左右的 HJT 電池。

      PECVD:降本增效為系統工程,存在難度但潛力可期

      從市場主流 HJT PECVD 供應商供應的 PECVD 特點看,設備廠商在設計理念 上各具特色,但體現出在提升鍍膜質量和優化設備產能方面的持續追求。我們 認為,通過多角度挖潛,PECVD 產能、效率、穩定性等仍具向上提升空間, 提效降本潛力可期。

      PVD:國產化降本空間相對有限,靶材優化料助力提效

      PVD 整體工藝較為成熟,難度低于 PECVD,各家設備廠商在技術端差異不大, 單臺設備產能已實現較高水平,且基本已處于半國產化狀態,國產化降本空間 相對有限。產能提升并非 PVD 設備向上優化的瓶頸,努力方向在于改善 TCO 薄膜透光性、均勻性、傳導性等指標進而提升電池轉換效率,未來靶材的創新 優化或助力進一步突破效率瓶頸。

      設備是 HJT 產業化的關鍵瓶頸之一,其中 PECVD 和 PVD 價值量占比最高,技術難度最大,是提升 HJT 電池效率 和降本的核心環節。本篇報告將從當前 PECVD 和 PVD 設備的主流技術路線和產業發展現狀出發,探究 HJT 設備未 來產業化潛力。

      一、HJT 設備產業化:量產穩定性與成本競爭力的有效平衡

      PERC 效率挖潛或接近極限,降本需求驅動電池片向高效率技術迭代:2014~2019 年 PERC 量產效率從 20.1%提升至 22.5%,保持著每年 0.5%的效率提升速度。目前,通過技術的升級優化,PERC/PERC+的量產效率已突破 23%,或 可進一步向 23.5%靠近,但效率挖潛空間正逐步接近極限。光伏需求大規模釋放關鍵在于相比傳統能源可體現更好 的經濟性,因此光伏產業具備持續降本需求,高效率低成本技術路線或為終極答案。

       

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      HJT 為平臺型技術,提效潛力巨大,有望成為下一代主流技術:HJT 電池本征非晶硅層將 N 型襯底與兩側的摻雜非 晶硅層完全隔開,實現了晶硅/非晶硅界面態的有效鈍化,帶來了相比 PERC 更高的開路電壓,從而實現了更高的理 論轉換效率。HJT 最高研發效率達到 26.63%,由日本 Kaneka 創造,未來HJT 技術為平臺增加疊層技術有望突破 30%的效率水平?,F有異質結中試線平均量產效率已普遍接近 24%或達到 24%以上。此外,HJT 雙面率高、弱光性 能好、光照穩定性高、溫度系數低、無 PID 現象,具有一定的發電增益,從 LCOE 角度出發,HJT 相比 PERC 可以 溢價 20%,從效率角度出發,HJT 效率高出 PERC 1.5%以上則可體現出性價比優勢

       

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      HJT 工藝步驟簡單但十分敏感,要求更加嚴苛:HJT 生產步驟僅包括制絨清洗、PECVD、PVD/RPD、絲網印刷和 光注入退火五個環節,對應設備分別為制絨清洗設備、PECVD 設備、PVD/RPD 設備、絲網印刷設備和光固化爐。HJT 特殊的晶硅/非晶硅界面態鈍化結構對工藝、設備、生產環境、操作水平、材料配套等提出了更加嚴苛的要求, HJT 盡管工藝步驟簡單,但敏感度高,薄膜厚度、壓力、真空度、潔凈度、流量氣體的通過、沉積速率、零部件的 放置位置等各種因素的細微差異均會對鍍膜質量產生影響,進而影響電池效率。

      設備為 HJT 突破產業化的關鍵一環:當前 HJT 產業化面臨兩大難題,一是轉換效率尚未較 PERC 取得 1.5%的效率 差優勢,二是量產成本相比 PERC 仍然較高。在 HJT 提效降本的過程中,設備具有不可忽視的關鍵作用,尤其是價 值量占比最高、技術難度相對較大的瓶頸設備 PECVD 和 PVD。一方面,設備硬件結構設計及參數指標的優化,能 夠提升 HJT 電池轉換效率和量產穩定性;另一方面,單臺設備產能的增加和設備國產化,可降低初始投資成本和 HJT 電池綜合成本,進而提升 HJT 電池量產經濟性。

      而 HJT 設備產業化的關鍵在于有效平衡量產穩定性與成本競爭力:我們認為,HJT 設備需兼顧量產穩定性和成本競 爭力方能實現真正意義上的產業化,這意味著在設備和工藝的磨合聯動下,設備端在不增加或者僅少量增加硬件成 本的情況下實現單臺設備產能的提升,且電池端可連續、穩定地生產和制造平均量產效率高出 PERC 1.5%左右的 HJT 電池。

      HJT 已實現整線國產化,后續降本推力主要在國產設備性能優化和進口零部件國產化:不同于 PERC 技術發展早期, 當前國產設備廠商在 HJT 的設備開發及驗證進度方面并不弱,尤其在瓶頸設備 PECVD 環節也已實現較大突破,前 瞻性的研發布局使得國產設備廠商已具備一定的實力與下游電池廠商開展合作,共同推進技術迭代。目前 HJT 各環 節均有國產設備供應商,國產設備的先期導入縮短了 HJT 設備維持高價的時間窗口,帶動了 HJT 初始投資成本的快 速下降。全進口設備單 GW 投資金額約為 8~10 億元,而全國產設備單 GW 投資金額約為 5~6 億元,短期有望進一 步降至 5 億元以下。預計未來設備進一步降本空間主要在設備性能提升和進口零部件國產化。

       

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      二、PECVD:降本提效為系統工程,存在難度但潛力可期

      (一)技術路線優勢各異,降本提效“殊途同歸”

      等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)指借助微波或射頻波使腔室內的反應氣體分子電離,形成的高化學活性等離 子體在基片表面發生化學反應,沉積成膜。PECVD 在傳統晶硅電池中主要用于鈍化層和減反層薄膜的沉積,薄膜厚 度均大于 100 nm;HJT 技術采用 PECVD 在硅片正反面先后沉積兩層非晶硅薄膜用作鈍化層,鈍化層的厚度需控制 在 5~10 nm,其質量的好壞將直接影響電池片的輸出效率,對薄膜的均勻性、致密度、容錯率要求非常嚴苛,設備 技術難度大,壁壘高。

      PECVD根據等離子發射源的運作情況,可分為動態和靜態PECVD;根據設備結構,可分為鏈式、團簇式和U型PECVD;根據射頻頻率的不同,又可分為 RF-PECVD 和 VHF-PECVD。

       

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      1、靜態鍍膜運行穩定,動態路線產能優勢突出

      靜態鍍膜工藝運行時,固定硅片的載板在成膜期間靜止不動,射頻電源需進行開關轉換,等離子體不斷開啟和關閉, 導致節拍時間被迫增加,超過實際鍍膜時間。動態鍍膜方式下,等離子體在腔室內不間斷產生,放置硅片的載板按 照設定的速度移動,成膜厚度由載板在腔室內的移動時間決定,所用節拍時間大幅縮短,提高了真空系統使用效率, 產能更高,設備成本相對更低。

      但由于非晶硅薄膜沉積過程對各種環境因素的變化具有高度敏感性,動態鍍膜工藝中硅片處于移動狀態,會在腔室 內引入氣流紊亂,嚴重影響薄膜質量,因此,大多數公司采用了靜態鍍膜工藝,邁為結合動態和靜態兩種鍍膜工藝 的優勢,開發了準動態鍍膜方式,有效提升了腔體使用效率。

      2、鏈式結構簡單,團簇式自動化配套難度大

      為避免交叉污染,大多數廠商的鏈式(in-line)設備配有多個腔室,單一腔室內僅進行單一類型薄膜的沉積,各沉積 腔室呈鏈狀直線排開,硅片出口和入口位于設備兩端,屬于順序、串行式的結構,占地面積較大。目前多數公司采 用鏈式結構,一些公司還基于鏈式結構進行改造。

      梅耶博格采用盒中盒式的結構,小的沉積腔室位于大的真空腔室中,反應氣體只通入里層小腔室,外層大腔室 內不進行薄膜沉積工藝,并通以氮氣進行惰性保護,這種結構可便于腔室清潔,并減少設備的維修次數,此外, 梅耶伯格的 S-Cube 結構配有在線清洗功能,可使用 NF3 在等離子輝光條件下在線清洗腔室。

      理想萬里暉的套盒結構利用其獨家的抽屜式反應腔工藝,將單一的反應腔室分割成多個子腔室,并同時運行工 藝,可使產能翻倍提升,目前公司的雙腔室疊層設備已實現量產。

       

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      團簇式(cluster)設備以中央傳輸室為中心,各沉積腔與相應的進出通道圍繞在其周圍,屬于并列、并行式的結構, 各腔室相互獨立、互不干擾,不同腔室同時進行作業,可同時處理較多硅片,產能較大。團簇式 PECVD 需要采用 機械手或磁臂在中央傳輸室和各沉積腔室間進行基片傳送,傳輸過程易造成碎片,對機械手的傳輸效率及穩定性具 有較高的要求,且由于托盤進入各腔室每次都要通過傳輸腔的中轉,增加了機械手的工作負擔,減少了機械手的使 用壽命??傮w來說,團簇式 PECVD 可通過增加周圍沉積腔室的數量來增加硅片的并行處理量,實現產能提升;但 傳送系統較為復雜,對自動化配套設備的要求較高,目前應用材料、INDEOtec 采用了這種布局方式。

      除鏈式和團簇式結構外,理想萬里暉設計了進片腔、反應腔、傳輸腔、反應腔、出片腔共同構成的 U 型結構,可有 效利用客戶生產場地面積,同時便于后期自動化設備的匹配,可減少機械手傳輸次數,節省腔體空間,從而降低生 產成本。

       

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      3、RF 鍍膜均勻性好,VHF 高沉積速率提升產能

      氣體分子在外加射頻場下被電離成對應的等離子體,按照射頻施加頻率的不同,可分為 RF-PECVD 和 VHF-PECVD 兩種,其中 RF-PECVD 的頻率一般為 13.56MHz,VHF-PECVD 的頻率一般在 30-300MHz 之間。由于射頻頻率與電 子和氣體分子的碰撞幾率成正相關關系,一定范圍內升高射頻頻率,反應氣體的分解速率將加快,短時間內產生大 量反應活性基團,可提升薄膜的沉積速率;另一方面,高頻場下腔室內的電子濃度增加、反應溫度和直流自偏壓降 低,能夠減小等離子體的離化程度以及轟擊效應,且有利于生成更多的反應前驅物,保證了薄膜優質生長,薄膜缺更少、致密性更佳、電導率更高。

      但是高頻場極易導致更多非均勻源的出現,從而引發駐波、奇點等效應,膜面容易脫落或出現條紋,使得薄膜的均 勻性變差;此外,由于甚高頻下薄膜的沉積速率會大大增加,不利于沉積過程中對薄膜厚度的精準控制,同時薄膜 厚度的增加也會導致透光率的降低。

      (二)聚焦薄膜質量+生產效率,設備廠商多角度挖潛

      PECVD 提效降本是一個系統工程:PECVD 是 HJT 技術產業化的核心瓶頸之一,未來主要優化方向為保證鍍膜質 量的同時放大設備產能,且硬件成本的增加幅度需盡可能小于產能提升幅度,從而達到降本目標。從市場主流 HJT PECVD 供應商供應的 PECVD 特點看,設備廠商在設計理念上各具特色,但均體現出在提升鍍膜質量和優化設備產 能方面的持續追求。值得注意的是,各家廠商在等離子體反應器、射頻系統等關鍵環節的設計均有自身獨特之處, 同時在預熱、清洗、傳動方式等可能影響設備性能的因素上同樣在持續挖潛,推動設備不斷迭代。我們認為,在工 藝設計和工程環節多角度挖潛的推動下,PECVD 性能仍具向上提升空間,提效降本潛力可期。

      鍍膜質量方面:薄膜質量直接決定了 HJT 電池的轉換效率和良率,改進核心在于圍繞等離子體對腔體、傳輸結 構、射頻系統等進行匹配,保證薄膜的均勻性、致密性、厚度、透光率等多個指標達到較高水平。此外,HJT 存在效率分布較寬的問題,批次間穩定性面臨一定挑戰,對反應腔設計和清洗提出了更高的要求。

      設備產能方面:做大腔室和做多腔室是目前提升 PECVD 設備產能的兩大主要方向,但做大腔室易帶來鍍膜不 均勻問題,做多腔室路線下設備成本下降空間則較為有限。此外,在腔室數量/大小一定的情況下,PECVD 的 工藝設計也會決定設備的產能提升潛力,諸如傳輸結構、腔體設計、射頻系統、相位調制技術、傳動方式、硅 片裝載數量、清洗方式、預熱方式等方面的微小改進都有可能帶來工藝節拍的縮短、uptime 的提高、良率的提升,進而提高設備的生產效率和產能。

      國產化方面:近年來,國產設備廠商 PECVD 的開發、驗證已取得積極進展,未來通過與電池廠商增進合作, 有望加深對 HJT 技術的理解,積累更加豐富的 know-how 經驗,國產 PECVD 有望展現更大優勢。

      1、Meyer Burger:創新等離子體反應器設計,鈍化效果出眾

      盒中盒式 S-Cube 等離子體反應器,鈍化效果優:梅耶伯格是老牌光伏設備供應商,持續多年的研發投入和技術跟 進使其在 PECVD 領域保持著較強的技術領先性。梅耶伯格針對 HJT 開發了 HELiAPECVD 型號 PECVD 設備,采用盒 中盒式 S-Cube 離子體平行板反應器,利用 13.56MHz 射頻源最小化等離子體在沉積過程中對薄膜造成的損傷,以獲 得較高的鈍化質量。硅片少數載流子的壽命決定了鈍化質量,梅耶伯格的 PECVD 設備沉積后可實現區熔單晶硅(FZ)少子壽命超過 10ms,直拉硅片(CZ)少子壽命超過 4ms,制造出的電池片溫度系數最優可達-0.25%/K。

      腔室獨立+在線清洗功能降低污染水平及運營成本:本征、N 型、P 型非晶硅薄膜沉積分別在獨立腔室內完成,載片 在腔室間的傳輸均在氮氣保護下進行,可實現極低的污染水平。沉積腔室配有在線清洗功能,外部大腔室不直接接 觸反應物的結構設計,降低了腔室清潔的復雜程度和設備的維護頻率,降低了設備運營成本。

      在線加熱功能縮短 cycle time,提升設備產能:HELiAPECVD 的基片傳輸盤具備在線加熱功能,可保證基片始終處于 工作溫度,大大節省了薄膜沉積前的基片加熱時間,一個托盤的硅片在非晶硅沉積步驟完成的周期時間(cycle time) 僅為 84s。托盤可裝載 56 片 6 寸硅片,設備 uptime 為 90%,每小時設備生產量為 2400 片,對應產能 110MW。

      今年 6 月,梅耶伯格發布公告,擬募資 1.65 億瑞士法郎以在 2021 年啟動 HJT 電池和組件項目,初期產能 400MW, 聚焦歐洲和美國住宅市場,正式轉型電池組件供應商,未來不再對外出售 HJT 和 SWCT 生產設備。

       

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      2、INDEOtec:專有反應器設計和獨特電極布置實現雙面沉積

      Mirror 技術縮短工藝周期,ACCT 保證成膜質量:INDEOtec 成立于 2007 年,是一家專注于薄膜太陽能電池 PECVD 工藝設備研發、生產和銷售的瑞士設備生產商。公司已開發出專用于 HJT 非晶硅薄膜沉積的 OCTOPUS 系列設備, 采用 Mirror 核心技術,可在無需破壞真空且無需翻轉基板情況下完成基板雙面的沉積,可降低工藝周期,提升產能。此外,公司還采用 ACCT(抗交叉污染處理)特殊技術,避免前一沉積過程中殘留在腔壁或電極上的反應物污染下 一沉積過程,保障了多層薄膜的沉積質量。目前應用該設備的 6 英寸的直拉硅片(CZ)上少子壽命可達 5ms,4 英寸的 區熔硅片(FZ)上少子壽命達 10ms。

       

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      增加第三電極提升薄膜均勻性:為提高等離子體轉向能力,公司還在設備原有的 IRTF(集成射頻電極)等離子技術 基礎上增加第三個電極,減少等離子體對基片表面的轟擊,有效提升薄膜沉積均勻性和鈍化效果。

      在 OCTOPUS 系列中,OCTOPUS II 為 R&D 設備,用于研發和試生產線,使用并行和順序處理模式;OCTOPUS III 量產平臺擁有八面系統,主通道擁有 4 個腔室,用于裝載、傳輸、基片的加熱和冷卻,周圍配有 4 個沉積腔室,用 于基片的雙面沉積,載板單次可裝載 36 片硅片,生產時工藝腔可放置 3 個載板(共 108 個硅片),實現模塊共享, 節約硬件使用頻率,該設備每小時可生產電池片 3000 片以上,產能約 140MW。

      3、Applied Materials:顯示技術遷移至 HJT,針對性開發力度略顯不足

      應用材料是全球最大的半導體設備制造商,為全球半導體、平板顯示器、太陽能光伏發電及相關行業提供制造設備、 服務以及軟件產品,其最早推出的 AKT 系列 PECVD 設備,應用于 TFT-LCD(薄膜晶體管液晶顯示器)領域,可在 面積 1.6 到 5.7 平方米的玻璃基板上沉積高度均勻的低溫多晶硅薄膜。后期,應用材料將 AKT 系列設備改進應用于 太陽能電池制造領域,開發出 PECVD 5.7 系統,PECVD 5.7 系統基板面積最大可達 5.7m2,薄膜沉積速率超過 500 /min,擁有 7 個獨立的反應腔室圍繞在中央傳輸腔室周圍,各沉積反應腔獨立并行運行,具有較大的產能優勢。用材料將 PECVD 5.7 系統遷移至 HJT 電池非晶硅薄膜的制備環節,但并未針對 HJT 技術做特殊的開發。

      4、理想萬里暉:頻率自適應技術提高鍍膜質量,套盒結構助力產能升級

      上海理想萬里暉薄膜設備有限公司于 2012 年 4 月從母公司理想能源 PECVD 事業部分拆,于 2013 年 5 月完成注冊, 2019 年 10 月完成 A 輪融資。理想萬里暉專注高端 PECVD 設備的研發,2017 年第一代年產能 60MW HJT PECVD 推向市場,并獲得 22 臺量產設備訂單。據理想萬里暉官網披露,公司異質結 PECVD 平均量產效率 24%,曾獲得 ISFH 認證的 25.11%的最高轉換效率。

      多層反應腔雙真空系統助力產能大幅提升:理想萬里暉 OAK 系列量產設備采用雙真空反應腔的結構,沉積腔室均 位于大的真空腔內,內外腔壓力差小,反應腔形變小,腔內上下極板可同時發熱,降低熱漂移和粉塵、顆粒出現的 概率,改善成膜質量;小腔室清洗方便、無需開腔維護,氣體消耗量僅為傳統的 1/8,可有效節約工藝氣體用量。抽 屜式反應腔屬于公司的獨家核心技術,沉積腔室內部被分割成多個子腔室,可實現工藝并行運行,使產能翻倍;該 套盒工藝設計可兼容不同型號的設備,研發和量產設備工藝共享,研發工藝可直接導入量產,加快設備產業化進程。

      先進等離子體匹配系統縮短等離子體穩定時間,提升表面鈍化效果:PECVD 采用靜態鍍膜的方式,等離子體每次開 啟時會存在一段不穩定期,影響成膜質量,針對此問題理想萬里暉引入先進等離子體系統,將等離子體穩定時間縮 減至 0.3s。此外,為改善甚高頻等離子體反應腔內電磁場均一性,公司運用相位調制技術,提升了鍍膜均勻性。

       

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      設備向大產能迭代,三代設備產能有望繼續提升:理想萬里暉 HJT PECVD 擁有 Pine-M-R-5 研發型設備和 OAK列量產型設備,量產型 OAK 系列設備至今已推出 OAK-U-5、第 2OAK-DU-5、第 2.5OAK-DU-PLUS 產品, 單臺設備產能從第一代的 50-60MW 左右提升至 2.5 代的 250MW,公司預計三代設備 OAK-MC 可實現 500MW 的單 臺設備產能。

      5、鈞石能源:獨特 RF 設計優化薄膜質量,大尺寸載板提升產能

      鈞石(中國)能源有限公司主要針對新一代高效太陽能電池產品進行研發、制造以及銷售,其研發的 PECVD 已在 多條自建 HJT 中試線上投產。鈞石能源模塊化鏈式 PECVD 系統采用獨特的 RF 電極設計,電極間距可調節,設備 起輝功率低,穩定性好,多點射頻輸入和最低射頻功率點火的設計可有效降低等離子體對基片的損傷,低功率薄膜 鈍化后的晶體硅少子壽命接近其本征壽命。載板溫度均勻,沉積薄膜厚度均一性好。此外,硅片上下料已全部實現 自動化,生產效率高,載板單次可裝載 144 片基片(12*12 載板尺寸),并可兼容 M6、M10、G12 硅片,設備 uptime 超過 90%,每小時產量超過 3500 片。

      6、邁為股份:采用準動態鍍膜工藝,高產能優勢突出

      邁為股份自研 PECVD 采用準動態鍍膜工藝,已在通威合肥異質結中試線運行半年以上。8 月,邁為股份中標安徽宣 城高效硅異質結項目的一條整線,中標信息顯示邁為股份 PECVD 各項指標優勢突出,產能最高可達 8000 片/小時, 轉換效率 24%以上,uptime≥90%。

      7、捷造光電:inline 線列式系統,兼顧沉積效率及穩定性

      捷造光電 PECVD 采用 inline 線列式結構,反應腔采用隔離的全鋁熱壁反應區結構,擁有 4 個獨立的 PECVD 模塊處 理雙面異質結工藝,保證非晶硅工藝穩定;電極間距可調,并搭載 RF 快速匹配技術,縮短功率穩定所需時間;采 用滾輪式傳輸結構,保證了較高的可靠性且易于維護。捷造光電 PECVD 采用模塊化設計,可適應不同結構工廠布 局和自動化配套,設備整體結構緊湊,便于維護和檢查。

      8、捷佳偉創、金辰股份亦積極布局 PECVD

      捷佳偉創與愛康科技簽署 2GW 異質結電池項目合作協議,聚焦 PECVD 和新式 TCO 鍍膜設備的共同研發。金辰股 份發布非公開發行預案,擬募集不超過 38000 萬元用于“年產 40 臺(套)光伏異質結(HJT)高效電池片用 PECVD 設備”項目和補充流動資金。

      三、PVD:國產化降本空間相對有限,靶材優化將助力提效

      (一)產能提升并非瓶頸,降本空間相對有限

      HIT 表面的 TCO 薄膜的作用為收集光生載流子并將其輸送到金屬電極上,導電性好、透過率高是 TCO 薄膜需要具 備的關鍵特性。在工藝方面,目前主要采用 PVD(磁控濺射)和 RPD(反應等離子體沉積法)兩種方式,PVD 利用 經過加速的高能粒子轟擊靶材,使靶材表面的原子脫離晶格逸出沉積在襯底表面發生反應而形成薄膜;RPD 法利用 等離子體槍產生氬等離子體,氬等離子體進入生長腔后,在磁場作用下轟擊靶材,靶材升華形成蒸氣實現薄膜沉積。

      PVD 工藝穩定、成本更低,RPD 鍍膜質量優,但存在專利問題:PVD 技術的優勢在于設備成本較低,成膜均勻性 更好,鍍膜工藝穩定,能夠滿足大規模產業化需求,但由于等離子體中包含大量高能粒子,會對基板表面產生強烈 的轟擊刻蝕作用,且沉積速率較慢。而 RPD 技術的等離子體能量分布相對集中且離化率更高,高能離子較少,表現 出低離子損傷的優良特性。同等條件下,RPD 技術制備的 TCO 薄膜結構更加致密、結晶度更高、表面更加光滑、導 電性更高、光學透過率更好1。此外,RPD 方法還具備低沉積溫度、高速生長等優點,缺點在于設備成本較高,但 RPD 核心專利技術被日本住友壟斷,故現有產線基本采用 PVD 路線,捷佳偉創獲得日本住友授權,可制造 RPD備。

       

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      PVD 整體工藝較為成熟,難度低于 PECVD,各家設備廠商在技術端差異不大,基本均可在真空、無翻轉的情況下 實現雙面薄膜沉積,多數廠商還具備完善的自動化配套設施以及模塊化結構,并搭載旋轉靶提高靶材利用率,單臺 產能已實現較高水平,馮阿登納最新一代 PVD 設備產能可達 8000 片/小時,未來計劃進一步提至 10000 片/小時, Singulus 量產設備最高產能也實現了 6000 片/小時,邁為近期在安徽宣城中標的 PVD 設備產能指標也達到了 8000/小時的水平??梢?,產能提升并非 PVD 設備向上優化的瓶頸,努力方向在于改善 TCO 薄膜透光性、均勻性、傳導 性等指標進而提升電池轉換效率。

      成本方面,一方面,PVD 單臺設備產能已實現較高水平,另一方面,馮阿登納等外資廠商通過在國內設廠,基本實 現了 PVD 設備的半國產化狀態,料未來 PVD 設備國產化的成本下降空間較為有限。

      1、馮阿登納:技術積淀深厚,設備性能出眾

      馮阿登納成立于 1991 年,前身是德國曼弗雷德·馮·阿登納研究所,擁有 50 多年的電子束工藝經驗以及 40 余年的 磁控技術積累,已經開發出多款適用于 HJT 的 PVD 設備,包括用于實驗室或試生產線的 SCALA 系列和用于量產的 XEA|nova 系列。

      其 PVD 設備可以實現在不翻轉基片、不破壞真空的條件下雙面沉積 TCO 薄膜,整個沉積過程中精準控制襯底溫度, 保證良好的沉積效果,同時做到邊緣隔離。公司將自主研發的可旋轉磁控濺射技術應用于磁力極強的磁棒上,使得 腔內磁場比競爭對手高出 15%,降低了沉積過程中的工藝電壓,進而降低了非晶硅底層的受損程度,同時也改善了 TCO 的透明度、傳導性等,提升成膜質量。

      設備沉積腔室設計較為靈活,既可配置平板式或旋轉式、單個或雙磁控管,又可以配置電子束槍或各種蒸發源,同 時可在真空狀態下或在進入真空狀態前進行清洗或刻蝕等特殊預處理。此外,設備自動化配套設施完善,硅片自動 上下料及傳輸系統自動化程度高,使用標準化模塊,整個系統的工藝流程靈活可變,可針對客戶需求定制化布局方 式。

       

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      2、Singulus:模塊化結構設計靈活,量產設備產能最高可達 6000 片/小時

      公司設計的 PVD 同樣可以在全真空、無翻轉的情況下進行雙面沉積,同時做到邊緣隔離,可用于濺射沉積 Ag、Cu、 Al 等金屬膜層和 ITO、AZO 等 TCO 薄膜。該設備采用模塊化結構,各腔室獨立工作,正背表面濺射方向(top down /bottom up)可靈活選擇,旋轉式圓柱形磁控管的引入將靶材利用率從 30%提升至 80%。沉積流程中的溫度控制是 Singulus PVD 設備的核心技術,可將沉積溫度穩定控制在 200℃以內,進而提高薄膜沉積質量。

      自動化方面,自動化系統結構設計靈活,不同的上下料方式可供選擇。

      Singulus 目前在售 PVD 共三種機型,包括 GENERIS LAB、GENERIS PVD 3000 和 GENERIS PVD 6000,工藝周期 在 45~75s 之間,托盤單次可裝載 64 片硅片。其中 GENERIS LAB 是實驗室研究的專用設備;GENERIS PVD 3000 和 GENERIS PVD 6000 是工業量產設備,每小時產量分別可達 3000 和 6000 片。

       

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      3、Meyer Burger:濺射工藝完美平衡效率提升與成本下降

      梅耶伯格 HELiAPVD 同樣采用模塊化結構,可在真空環境內無翻轉實現雙面薄膜沉積,且包含邊緣隔離工藝。設備有完善的自動化設施,可更高效且保證質量地處理硅片;選用圓柱形濺射磁控管,提高靶材利用率及鍍膜效率。公 司的 PVD 與 PECVD 在薄膜質量和產量方面匹配度高,每小時產量約 3000 片,年產能超過 140MWp,uptime 大于 94%,單個托盤 cycle time 約 36s,托盤單次可裝載 30 個 M2~M4 硅片。梅耶伯格的 PVD 濺射工藝使得 TCO 薄膜具有很低的光吸收率,可以實現和 RPD 媲美的電池效率,同時資本開支和運營成本減少 30%。

       

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      4、鈞石能源:專用大產能 PVD 系統助力 HJT 量產

      鈞石能源自研的 PVD 可進行雙面 ITO 薄膜沉積,已在福建金石 100MW 和鉅能 500MW 兩條中試線運行。設備采用 雙旋轉靶設計,靶材利用率超過 80%,獨特的陰極靶座設計,提高了濺射工藝的穩定性和可重復性。設備預熱腔室 和沉積腔室配有原位加熱元件,沉積溫度可控制在 200℃左右,薄膜厚度均勻性可控制在 5%以內。設備產能超過每 小時 5000 片,uptime>90%,可兼容 M6、M10 和 M12 尺寸的大硅片。

       

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      5、捷佳偉創:新型 RPD5500A 有望助力效率提升,二合一設備值得期待

      捷佳偉創獲得日本住友對 RPD 在中國大陸地區的獨家授權,開發了應用于 HJT 的 RPD 設備,2019 年 6 月捷佳偉創 為通威成都超高效 HJT 電池項目提供了 RPD 設備。今年 9 月,捷佳偉創在官方微信上披露,推出自主研發的新型 RPD5500A 設備,在原有技術基礎上采用半導體平板顯示行業最前沿加熱、冷井等多種核心技術,開發了多種復合 工藝組合設計,擴大入光面的受光面積而獲得高效增益,結合新一代的靶材技術和工藝,載子遷移率可超 140,帶 來更高的效率增益、更低的電子共振吸收、更好的長波透光率、更優的導電性。RPD5500A 設備 uptime>90%,膜厚 均勻度可控制在 5%以內,碎片率≤0.05%,產能可達到 5500 片/小時,已完成廠內裝配調試。

      捷佳偉創還規劃推出二合一設備 PAR5500,正面采用新型 RPD,背面采用 PVD,該設計可使占地面積減少一半,并 大幅降低設備成本。

       

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      6、捷造光電:定制磁場設計提升鍍膜質量

      捷造光電用于 HJT 的 PVD 設備采用 inline 濺射系統,配備大功率長壽命旋轉陰極,定制磁場設計,降低電壓,減少 高能粒子對基片的轟擊,進而提升了成膜質量,靶材利用率大于 75%。節拍時間 72s,膜厚均勻性和方阻均勻性分 別控制在 4%和 5%以內。

      (二)靶材優化有望帶動轉換效率提升

      與 PECVD 相比,PVD 沒有明顯的核心壁壘,單臺設備產能已提升至較高水平,未來靶材的優化有望帶動轉換效率 進一步提升。目前 PVD 主要采用 ITO 和 SCOT 靶材,RPD 主要采用 IWO 和 ICO 靶材,靶材的選擇決定了薄膜的光 電特性,進而影響電池轉換效率,IWO 相比于 ITO 更容易獲得較高的轉換效率,但隨著靶材配方的探索改進,ITO 薄膜的光電性能亦有所提升,進一步改善了電池轉換效率。

       

      壹納光電的經驗數據表明,ITO 的錫含量越低,電池轉換效率越高,97/3 和 99/1 低錫含量濺射靶材所制備的異質結 電池的轉換效率要優于普通成分比為 90/10 的 ITO 靶材。馮阿登納的 99/1 ITO 靶材方案得到的轉換效率也要優于 90/10 ITO 靶,先99/1 ITO 靶,再98/2 ITO 靶則會具有更好的效果。近年來,靶材環節取得了較為明顯的進步, 未來新材料的創新和開發有望進一步帶動電池轉換效率的提升。




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