光伏發(fā)電原理和光伏電池片技術(shù)詳解

市場(chǎng)概況：

光伏電池片領(lǐng)域降本增效是推動(dòng)光伏產(chǎn)業(yè)不斷發(fā)展的內(nèi)在牽引力，其中以提升光電轉(zhuǎn)換效率為目標(biāo)的光伏電池片技術(shù)變革是推動(dòng)降本增效的關(guān)鍵舉措之一。2015年至2020年，光伏電池片經(jīng)歷了BSF到PERC的應(yīng)用技術(shù)迭代；2021年以來(lái)，以TOPCon、XBC、HJT為代表的新型高效光伏電池片技術(shù)開(kāi)始逐步進(jìn)入規(guī)?；瘧?yīng)用階段。在光伏電池片技術(shù)的變革過(guò)程中，設(shè)備是支撐工藝和產(chǎn)能落地的基礎(chǔ)和核心，新設(shè)備技術(shù)需要均衡成本、性能等核心要素，因此設(shè)備廠商需要與下游客戶緊密配合，根據(jù)新的工藝特點(diǎn)提供兼顧成本、效率的系統(tǒng)性解決方案，具有較高的技術(shù)和產(chǎn)品壁壘。

比如在光伏電池片核心工藝設(shè)備方面，拉普拉斯利用核心技術(shù)應(yīng)用，通過(guò)不斷創(chuàng)新持續(xù)滿足下游客戶的多項(xiàng)需求，包括：

①使用氣態(tài)硼源，結(jié)合低壓氛圍、高溫等特點(diǎn)攻克工藝難題，率先實(shí)現(xiàn)硼擴(kuò)散設(shè)備規(guī)?；慨a(chǎn)和應(yīng)用，突破N型電池片量產(chǎn)工藝瓶頸；

②率先實(shí)現(xiàn)光伏級(jí)大產(chǎn)能LPCVD大規(guī)模量產(chǎn)，可高質(zhì)量滿足高效光伏電池片隧穿氧化及摻雜多晶硅層制備的工藝需求；

③自研水平放片工藝，有效提升產(chǎn)能，滿足大硅片、薄硅片的生產(chǎn)需求，降低成本；

④自主設(shè)計(jì)和生產(chǎn)核心零部件熱場(chǎng)，創(chuàng)造性地進(jìn)行非對(duì)稱設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控溫，提高光伏電池片效率和良率，并提升設(shè)備可靠性等。

光伏發(fā)電的基本原理

光生伏特效應(yīng)（即“光伏效應(yīng)”）是指當(dāng)物體受到光照時(shí)，因光能被吸收，電子發(fā)生躍遷，物體內(nèi)的電荷分布狀態(tài)發(fā)生變化而產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)和電流的一種效應(yīng)。

根據(jù)半導(dǎo)體的特性，半導(dǎo)體中有電子和空穴兩種電流載體（指可以自由移動(dòng)的帶有電荷的物質(zhì)微粒，簡(jiǎn)稱“載流子”），其中電子帶負(fù)電、空穴帶正電，半導(dǎo)體材料中某種載流子占大多數(shù)，則稱它為多子，占小部分的即為少子。硅片最基本的材料是“硅”，純凈的硅不導(dǎo)電，但可以通過(guò)在硅中摻雜來(lái)改變特性：在硅晶體中摻入硼元素，即可做成P型硅片；摻入磷元素，即可做成N型硅片。因硼元素和磷元素價(jià)位特點(diǎn)不同，P型硅片中空穴作為多子主要參與導(dǎo)電，電子是少數(shù)載流子（少子）；N型硅片中電子作為多子主要參與導(dǎo)電，空穴是少子，上述P（Positive，正電）和N（Negative，負(fù)電）即根據(jù)硅片多子的正負(fù)電情況進(jìn)行的命名。

PN結(jié)（結(jié)是指交叉，譯自英文“PNjunction”）是光伏電池片的基本結(jié)構(gòu)單元，其通常形成于同一塊硅片中P型區(qū)域和N型區(qū)域的交界處，可以通過(guò)向P型硅片表面擴(kuò)散磷元素或者向N型硅片表面擴(kuò)散硼元素制得。

光伏電池片發(fā)電即是利用PN結(jié)位置產(chǎn)生的自由電子的電位差來(lái)產(chǎn)生電流，當(dāng)太陽(yáng)光照射在電池片表面時(shí)，電子吸收能量變?yōu)橐苿?dòng)的自由電子，同時(shí)在原來(lái)的位置形成空穴，自由電子受到內(nèi)電場(chǎng)的作用會(huì)向N區(qū)移動(dòng)，同時(shí)對(duì)應(yīng)空穴向P區(qū)移動(dòng)，當(dāng)連接電池正負(fù)極形成閉合回路時(shí)，自由電子受到內(nèi)電場(chǎng)的力從N區(qū)經(jīng)過(guò)導(dǎo)線向P區(qū)移動(dòng)，在外電路產(chǎn)生電流。光伏電池片內(nèi)部結(jié)構(gòu)及發(fā)電原理的簡(jiǎn)要示意圖如下：

? ?

影響光伏發(fā)電效率的核心要素

光伏發(fā)電的本質(zhì)是將光能轉(zhuǎn)化為電能，因此減少光學(xué)損失和電學(xué)損失是提升光伏電池片轉(zhuǎn)換效率的兩個(gè)關(guān)鍵方向。光學(xué)損失產(chǎn)生的主要原因是材料表面的反射及遮擋損失，包括電池片前表面和背表面的反射以及組件玻璃的反射、電池柵線的遮擋等。目前減少光學(xué)損失的主要方法包括：

①利用化學(xué)方法對(duì)硅片表面進(jìn)行腐蝕，形成絨面，增加陷光作用；

②制備減反膜降低反射率，例如玻璃減反膜、電池表面的氮化硅減反膜；

③優(yōu)化電池柵線，減少柵線遮擋損失，例如使用多主柵及新型高效的XBC電池技術(shù)。

目前，制絨、減反膜、多主柵等技術(shù)目前應(yīng)用已較為廣泛，發(fā)展較為成熟，XBC電池技術(shù)正在進(jìn)入快速發(fā)展階段，XBC電池的PN結(jié)和金屬接觸都處于電池的背面，正面沒(méi)有金屬電極遮擋的影響，同時(shí)背面可以容許較寬的金屬柵線來(lái)降低串聯(lián)電阻從而提高填充因子。

電學(xué)損失產(chǎn)生的主要原因是光伏電池片體內(nèi)及表面電子和空穴的復(fù)合，復(fù)合率越低，光電轉(zhuǎn)換效率就越高。電池片表面的表面態(tài)（懸掛鍵、雜質(zhì)、晶格失配和損傷層等）以及電池片內(nèi)部存在的雜質(zhì)，它們都會(huì)成為載流子的復(fù)合中心。

對(duì)于解決材料本身的內(nèi)部缺陷及雜質(zhì)等引起的問(wèn)題，單晶硅要優(yōu)于多晶硅，N型電池要優(yōu)于P型電池；對(duì)于電池表面的復(fù)合中心，通過(guò)改變光伏電池的結(jié)構(gòu)，如引入鈍化膜（主要為Al2O3、SiNx）、隧穿氧化及摻雜多晶硅層等方式，可以有效延長(zhǎng)電池片內(nèi)部少子壽命，減少?gòu)?fù)合導(dǎo)致的電學(xué)損失。

隨著單晶硅片已基本取代多晶硅片以及以Al2O3、SiNx為代表的鈍化膜技術(shù)在此前的PERC技術(shù)也已經(jīng)得到普遍應(yīng)用，在材料方面引入N型硅片襯底及電池片結(jié)構(gòu)方面進(jìn)一步加強(qiáng)鈍化效果（如引入隧穿氧化及摻雜多晶硅層）是目前進(jìn)一步降低電學(xué)損失的成熟有效方式，應(yīng)用該等改善材料和進(jìn)行結(jié)構(gòu)改變的包括了TOPCon、XBC及HJT等新型高效光伏電池片技術(shù)。

光伏產(chǎn)業(yè)鏈情況

在全球低碳的產(chǎn)業(yè)政策引導(dǎo)和市場(chǎng)需求的雙輪驅(qū)動(dòng)下，中國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)了快速發(fā)展，已經(jīng)成為中國(guó)可參與國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)并取得領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，也是中國(guó)產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一張嶄新名片和推動(dòng)我國(guó)能源變革的重要引擎。

當(dāng)前中國(guó)已經(jīng)形成了從工業(yè)硅、高純硅材料、硅錠/硅棒/硅片、電池片、組件、逆變器、光伏輔材輔料、光伏生產(chǎn)設(shè)備到系統(tǒng)集成和光伏產(chǎn)品應(yīng)用等全球最完整的產(chǎn)業(yè)鏈，并且在各主要環(huán)節(jié)均形成了一批世界級(jí)的領(lǐng)先企業(yè)。

中國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)鏈具備顯著的技術(shù)水平高、效率高、成本低和上下游配套健全等優(yōu)勢(shì)，中國(guó)光伏供應(yīng)鏈對(duì)全球光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要的影響力，中國(guó)光伏企業(yè)持續(xù)領(lǐng)導(dǎo)全球產(chǎn)業(yè)供應(yīng)格局。光伏產(chǎn)業(yè)的具體產(chǎn)業(yè)鏈及對(duì)應(yīng)的設(shè)備需求情況見(jiàn)下圖：

光伏行業(yè)規(guī)模及發(fā)展態(tài)勢(shì)

①全球光伏市場(chǎng)規(guī)模及需求

隨著生態(tài)環(huán)境問(wèn)題日益顯現(xiàn)，為應(yīng)對(duì)氣候變化的不利影響，1992年聯(lián)合國(guó)環(huán)境與發(fā)展大會(huì)期間全球150多個(gè)國(guó)家以及歐洲經(jīng)濟(jì)共同體共同簽署了《聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約》，旨在減少溫室氣體排放。1997年《京都議定書》正式簽訂，以法規(guī)的形式限制溫室氣體排放。為控制溫室氣體排放、保護(hù)地球家園，2016年簽署的《巴黎協(xié)定》規(guī)定把全球平均氣溫升幅控制在工業(yè)化前水平以上低于2攝氏度以內(nèi)的基礎(chǔ)目標(biāo)和1.5攝氏度之內(nèi)的進(jìn)一步努力目標(biāo)。

IRENA根據(jù)《巴黎協(xié)定》制定的目標(biāo)進(jìn)行測(cè)算，2050年之前，與能源有關(guān)的二氧化碳排放量需要每年減少3.5%左右，并在此后持續(xù)減少，因此能源的結(jié)構(gòu)組成和變革對(duì)于實(shí)現(xiàn)氣候目標(biāo)將起到?jīng)Q定性作用，清潔能源的使用勢(shì)在必行。鑒于能源載體、技術(shù)、成本等方面的優(yōu)勢(shì)，太陽(yáng)能和風(fēng)能作為最主要的清潔能源，正在引領(lǐng)全球電力行業(yè)變革，對(duì)傳統(tǒng)化石燃料發(fā)電形成了有效替代。

根據(jù)IRENA數(shù)據(jù)，2010年至2022年期間，光伏發(fā)電度電成本由2.75元/KWh（根據(jù)當(dāng)年末美元兌人民幣即期匯率折算，下同）下降至0.34元/KWh，累計(jì)下降87.64%。根據(jù)IRENA數(shù)據(jù)，2010年中國(guó)煤電發(fā)電成本為0.33元/KWh；根據(jù)Bloomberg數(shù)據(jù)，2021年及2022年，中國(guó)煤電發(fā)電度電成本分別為0.43元/KWh及0.55元/KWh（2020年以來(lái)，煤炭?jī)r(jià)格波動(dòng)幅度較大）。2022年光伏發(fā)電度電成本已低于2010年煤電發(fā)電的成本水平，光伏發(fā)電相較于傳統(tǒng)能源發(fā)電已具備經(jīng)濟(jì)性。

根據(jù)IRENA預(yù)測(cè)，未來(lái)可再生能源將逐步取代傳統(tǒng)能源，占整體能源消耗量的50%，其中光伏發(fā)電將占總電力需求的25%。為了實(shí)現(xiàn)2050年“零排放”的目標(biāo)，2030年可再生能源裝機(jī)量需達(dá)到2020年的三倍；到2050年，至少有70%的發(fā)電量來(lái)自于光伏、風(fēng)電等可再生能源，可再生能源裝機(jī)量需達(dá)到28,000GW。

根據(jù)國(guó)際能源署（IEA）發(fā)布的《全球能源行業(yè)2050凈零排放路線圖》統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2030年之前，全球太陽(yáng)能光伏每年新增裝機(jī)630GW；到2030年全球光伏及風(fēng)能累計(jì)裝機(jī)量有望達(dá)到4,120GW；到2050年，全球?qū)崿F(xiàn)凈零排放，近90%的發(fā)電將來(lái)自可再生能源，其中太陽(yáng)能和風(fēng)能合計(jì)占近70%，全球光伏及風(fēng)能累計(jì)裝機(jī)量將進(jìn)一步增加至18,088GW。

太陽(yáng)能憑借其無(wú)噪聲、無(wú)污染、無(wú)地域限制、分布廣泛、取之不盡、用之不竭、易于獲得等優(yōu)點(diǎn)，成為最有發(fā)展前途的可再生能源之一。因此世界主要能源消耗國(guó)家高度重視光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，陸續(xù)出臺(tái)了相應(yīng)的產(chǎn)業(yè)支持政策，以支持本國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

②我國(guó)光伏市場(chǎng)規(guī)模及需求

我國(guó)積極投身全球范圍綠色低碳轉(zhuǎn)型，并先后簽署《聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約》《京都協(xié)定書》《巴黎協(xié)定》等國(guó)際公約。2020年9月中國(guó)提出“雙碳”目標(biāo)，二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，于2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和；到2030年，中國(guó)單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放將比2005年下降65%以上，風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電總裝機(jī)容量將達(dá)到12億千瓦以上。

在我國(guó)“雙碳”目標(biāo)背景下，光伏作為近年我國(guó)增速最快的新能源，戰(zhàn)略地位日益凸顯。根據(jù)國(guó)際能源署數(shù)據(jù)，2012-2022年，我國(guó)光伏發(fā)電量復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)61.30%，增長(zhǎng)速度大幅領(lǐng)先其他清潔能源。隨著分布式光伏整縣推進(jìn)以及風(fēng)光大基地規(guī)劃建設(shè)的加速落地，國(guó)內(nèi)光伏產(chǎn)業(yè)迎來(lái)新一輪發(fā)展機(jī)遇?？紤]到未來(lái)硅料新增產(chǎn)能逐步釋放，供應(yīng)鏈緊張程度緩解，加之電池轉(zhuǎn)換效率的進(jìn)一步提升，將有效帶動(dòng)組件成本下降，預(yù)計(jì)分布式和集中式裝機(jī)規(guī)模有望快速提升。

據(jù)國(guó)家能源局?jǐn)?shù)據(jù)，2022年我國(guó)光伏新增裝機(jī)87.41GW，較2021年的54.88GW新增裝機(jī)增加32.53GW，增幅達(dá)到59.26%；2023年1-6月，我國(guó)光伏新增裝機(jī)78.42GW，同比增長(zhǎng)153.95%；截至2023年6月末，我國(guó)光伏發(fā)電累計(jì)并網(wǎng)容量已達(dá)470GW。據(jù)CPIA預(yù)測(cè)，2023年我國(guó)新增裝機(jī)量將達(dá)到140GW。

光伏電池片行業(yè)規(guī)模情況

2012年至2022年，全球光伏電池片產(chǎn)量持續(xù)增長(zhǎng)，由38GW增長(zhǎng)至330GW，其中中國(guó)光伏電池片產(chǎn)量由21GW增長(zhǎng)至318GW，全球光伏電池片產(chǎn)量增長(zhǎng)的主要來(lái)自于中國(guó)。

2012年至2022年，我國(guó)光伏電池片產(chǎn)量逐年上升，復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)31.23%，我國(guó)光伏電池片生產(chǎn)規(guī)模自2007年開(kāi)始已連續(xù)16年居全球首位。

光伏電池片行業(yè)發(fā)展階段

降本增效是推動(dòng)光伏行業(yè)不斷發(fā)展的內(nèi)在牽引動(dòng)力，隨著光伏各個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的日趨成熟，光伏電池片作為光電轉(zhuǎn)換效率的決定性影響因素，是現(xiàn)階段光伏產(chǎn)業(yè)鏈最核心的技術(shù)變革領(lǐng)域。光伏電池片技術(shù)的技術(shù)迭代與光伏設(shè)備的技術(shù)演進(jìn)以及應(yīng)用相互推動(dòng)和成就，共同推動(dòng)光伏電池片生產(chǎn)的降本增效。

①光伏電池片技術(shù)發(fā)展和迭代情況從光伏電池片的技術(shù)發(fā)展和迭代來(lái)看，整體可分為四個(gè)階段：

第一個(gè)階段是2015年以前，光伏電池片市場(chǎng)主要采取多晶Al-BSF技術(shù)，單晶PERC電池片處于技術(shù)驗(yàn)證階段，以試驗(yàn)產(chǎn)能為主，增長(zhǎng)迅速但總量較小，隨著單晶PERC電池片技術(shù)逐漸成熟，其商業(yè)化的可行性得到確認(rèn)；

第二階段是2015-2017年，單晶PERC電池片投資吸引力凸顯，國(guó)內(nèi)廠商開(kāi)始加碼PERC電池片生產(chǎn)，但從整個(gè)光伏電池片市場(chǎng)發(fā)展過(guò)程來(lái)看，多晶Al-BSF技術(shù)此階段仍占據(jù)著市場(chǎng)主要份額；

第三階段是2018-2021年，PERC電池片產(chǎn)能實(shí)現(xiàn)爆發(fā)式增長(zhǎng)，根據(jù)中國(guó)光伏行業(yè)協(xié)會(huì)數(shù)據(jù)，2019年至2021年的新建量產(chǎn)產(chǎn)線以PERC電池片產(chǎn)線為主，PERC電池片在2021年的市場(chǎng)份額超過(guò)90%；在這個(gè)階段內(nèi)，主流電池片廠商以及公司在內(nèi)的設(shè)備廠商開(kāi)始逐步布局TOPCon、XBC及HJT等新型高效光伏電池片技術(shù)，并共同推動(dòng)產(chǎn)業(yè)化落地；

第四階段是2022年至今，隨著PERC電池片轉(zhuǎn)換效率接近理論極限值，以TOPCon、XBC、HJT為代表的轉(zhuǎn)換效率更高的新型高效電池片技術(shù)進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。從實(shí)際落地的情況來(lái)看，TOPCon、XBC在突破設(shè)備、工藝、材料等瓶頸后，技術(shù)日趨成熟并實(shí)現(xiàn)成本和性能的平衡，率先完成量產(chǎn)；相較于TOPCon和XBC，目前主流廠商在HJT領(lǐng)域產(chǎn)能布局尚不廣泛，HJT電池片投產(chǎn)和量產(chǎn)規(guī)模仍較小。

各主要電池片技術(shù)的具體情況如下：

? ?

注：以上轉(zhuǎn)換效率理論極限值數(shù)據(jù)來(lái)自于權(quán)威測(cè)試機(jī)構(gòu)德國(guó)哈梅林太陽(yáng)能研究所（ISFH）。

②具有多方面優(yōu)勢(shì)的N型光伏電池片技術(shù)已日趨成熟

光伏電池片的生產(chǎn)是以硅片為基礎(chǔ)材料，通過(guò)擴(kuò)散摻雜元素、多層鍍膜等多步驟處理后，形成基本發(fā)電單元的過(guò)程。其中，以P型硅片作為襯底通過(guò)磷元素?cái)U(kuò)散或摻雜最終制作出的電池片為P型電池片，代表性是基于PERC技術(shù)產(chǎn)品；以N型硅片作為襯底通過(guò)硼元素?cái)U(kuò)散或摻雜最終制作出的電池片為N型電池片，具有代表性的為N型TOPCon、N型IBC、N型HJT等新型高效光伏電池片。N型電池片相較于P型電池片具有較為顯著的優(yōu)勢(shì)：

A、高轉(zhuǎn)換效率：N型電池片的少數(shù)載流子壽命顯著高于P型電池，能夠極大提升電池的開(kāi)路電壓和短路電流，帶來(lái)更高電池轉(zhuǎn)化效率，如N型TOPCon的轉(zhuǎn)換效率理論可達(dá)28.7%，顯著高于PERC的24.5%；

B、低衰減率：N型電池片襯底硅片主要摻入磷元素，在材料中不會(huì)形成硼氧原子對(duì)（導(dǎo)致P型電池光致衰減的主要因素），因而N型電池片的初始光誘導(dǎo)衰減幾乎為零，整體衰減率較低；

C、弱光效應(yīng)好：N型電池片弱光條件下光譜響應(yīng)好，提升早晚等弱光情況下的發(fā)電能力；

D、高雙面率：雙面率高達(dá)85%以上，有效提升發(fā)電增益；E、低溫度系數(shù)：傳統(tǒng)P型電池片溫度每升高一度，輸出功率就降低0.4%~0.5%，而N型電池溫片度系數(shù)僅有前者一半左右，發(fā)電量顯著高于P型電池片。

從光伏電池片技術(shù)降本增效的發(fā)展目標(biāo)和趨勢(shì)來(lái)看，在解決了生產(chǎn)設(shè)備技術(shù)攻關(guān)、生產(chǎn)工藝提升、成本優(yōu)化等關(guān)鍵問(wèn)題后，TOPCon和XBC兩種技術(shù)路線下的N型電池片已實(shí)現(xiàn)落地量產(chǎn)，其中已量產(chǎn)TOPCon的代表性主流廠商包括晶科能源、鈞達(dá)股份、中來(lái)股份等，已量產(chǎn)或投產(chǎn)XBC的廠商為愛(ài)旭股份及隆基綠能。

低壓水平硼擴(kuò)散技術(shù)

N型光伏電池片具有高轉(zhuǎn)換效率、低衰減率、弱光效應(yīng)好和低溫度系數(shù)等優(yōu)勢(shì)，但是，N型硅片需要在硅片表面擴(kuò)散硼元素以達(dá)到形成PN結(jié)的目的，而硼擴(kuò)散設(shè)備一直是困擾N型光伏電池片量產(chǎn)的難題，所以最早大規(guī)模量產(chǎn)的單晶硅電池是P型的PERC。

硼原子相對(duì)于其擬擴(kuò)散進(jìn)入的襯底硅原子而言，原子質(zhì)量較小，對(duì)硅原子的替代需要更高的能量，硼擴(kuò)散工藝相對(duì)于磷擴(kuò)散需要的溫度更高（由850℃上升至1050℃左右），且擴(kuò)散時(shí)間長(zhǎng)，工藝難度大，設(shè)備維護(hù)費(fèi)用高。

行業(yè)內(nèi)原有工藝采用三溴化硼作為擴(kuò)散硼源，通過(guò)氮?dú)鈹y源的方式通入設(shè)備，其通入狀態(tài)為小液滴，在擴(kuò)散過(guò)程中，容易造成硼源在硅片表面分布不均勻，導(dǎo)致形成的PN結(jié)不均勻，同時(shí)產(chǎn)生的副產(chǎn)物為粘稠狀物質(zhì)，設(shè)備需要頻繁維護(hù)，稼動(dòng)率低，運(yùn)營(yíng)成本極高，難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)，主要用于研發(fā)。

低壓水平硼擴(kuò)散技術(shù)，很好地解決了前述技術(shù)瓶頸：

①采用三氯化硼作為擴(kuò)散硼源，在一定溫度下通過(guò)飽和蒸汽壓的方式通入設(shè)備，通入狀態(tài)為氣態(tài)，擴(kuò)散過(guò)程中硼源在硅片表面分布均勻，形成更均勻的PN結(jié)，解決N型電池PN結(jié)制備均勻性較差的難題；

②使用氣態(tài)三氯化硼作為摻雜源，與傳統(tǒng)三溴化硼液態(tài)源硼擴(kuò)散相比，在設(shè)備營(yíng)造的特殊反應(yīng)氛圍下，副產(chǎn)物為粉末狀的氧化硼，石英管壽命長(zhǎng)、維護(hù)費(fèi)用低、運(yùn)營(yíng)成本低。

光伏電池片行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)

①各類電池市場(chǎng)份額情況

從各類電池的市場(chǎng)占有率看，2019年P(guān)ERC電池片技術(shù)超過(guò)BSF電池，占據(jù)了65%的市場(chǎng)份額，2020年，PERC電池片市場(chǎng)占比達(dá)到86.4%，2021年進(jìn)一步提升至91.2%。

根據(jù)CPIA預(yù)測(cè)情況來(lái)看，以TOPCon、XBC以及HJT為代表的新型高效光伏電池片從2022年將處于快速發(fā)展階段，市場(chǎng)份額不斷擴(kuò)大，PERC的市場(chǎng)占比則不斷下降。

根據(jù)CPIA近年來(lái)的《中國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)年度報(bào)告》，總結(jié)2021-2022年以來(lái)光伏電池片技術(shù)和市場(chǎng)發(fā)展趨勢(shì)如下：

A、2021年下半年開(kāi)始，新型高效光伏電池片（尤其是TOPCon）新建產(chǎn)能呈現(xiàn)爆發(fā)的趨勢(shì)，但受新產(chǎn)能建設(shè)到投產(chǎn)、量產(chǎn)時(shí)間影響，市場(chǎng)份額處于很低的水平；

B、2022年是中國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)化歷史上非常重要的一年，技術(shù)迭代加速，BSF基本退出歷史舞臺(tái)，PERC技術(shù)新建產(chǎn)能大幅下降；在突破設(shè)備、工藝、材料等瓶頸后，憑借較高的性價(jià)比，當(dāng)年新建量產(chǎn)產(chǎn)線主要以TOPCon為主，主流廠商基本均有所布局或建設(shè)，TOPCon成為繼PERC之后市場(chǎng)占有率最大的一種技術(shù)；

C、隨著TOPCon產(chǎn)能的持續(xù)釋放，2022年TOPCon電池出貨量接近20GW，占據(jù)8.3%的份額，PERC電池片市場(chǎng)占比進(jìn)一步降低至88%；

D、其他新型高效光伏電池技術(shù)路線方面，針對(duì)分布式市場(chǎng)，隆基綠能和愛(ài)旭股份在XBC方面進(jìn)行了較大力度的布局；HJT相對(duì)成本較高，市場(chǎng)占比仍然不多，總量遠(yuǎn)小于TOPCon。

此外，CPIA預(yù)測(cè)，2023年TOPCon市場(chǎng)占比將可能提升至18.1%，其他新型高效光伏電池片技術(shù)路線市場(chǎng)占比也將有所提升，PERC市場(chǎng)占比將進(jìn)一步下降。

②PERC電池片技術(shù)面臨轉(zhuǎn)換效率理論極限值

PERC技術(shù)背面鈍化工藝是在硅片背面沉積Al2O3和SiNx，Al2O3由于具備較高的負(fù)電荷密度，可以提供良好的場(chǎng)鈍化，SiNx主要作用是保護(hù)背部鈍化膜，保證電池正面的光學(xué)性能，并釋放氫原子提升界面鈍化效果。背面鈍化可實(shí)現(xiàn)兩點(diǎn)價(jià)值，一是顯著降低背表面少數(shù)載流子的復(fù)合速度，從而提高少子的壽命，增加電池開(kāi)路電壓；二是在背表面形成良好的內(nèi)反射機(jī)制，增加光吸收的幾率，減少光損失，提高短路電流。

根據(jù)CPIA數(shù)據(jù)顯示，PERC電池的理論極限值為24.5%，現(xiàn)有的主流PERC技術(shù)量產(chǎn)發(fā)電效率面臨理論極限，因此以TOPCon、XBC為代表的轉(zhuǎn)換效率更高的新電池片技術(shù)在突破設(shè)備、工藝、材料等瓶頸后逐步開(kāi)始規(guī)?；瘧?yīng)用，可以預(yù)期未來(lái)PERC的資本化開(kāi)支將會(huì)顯著下降。

③TOPCon和XBC是已經(jīng)實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)的N型光伏電池片技術(shù)

新型高效電池片技術(shù)主要包括TOPCon、XBC和HJT三種，其中TOPCon、XBC因技術(shù)成熟、成本和性能可平衡，已率先量產(chǎn)；相較于TOPCon和XBC，目前主流廠商在HJT領(lǐng)域產(chǎn)能布局尚不廣泛，HJT電池片投產(chǎn)和量產(chǎn)規(guī)模仍較小。相關(guān)情況如下：

A、TOPCon

TOPCon是一種基于選擇性載流子傳輸原理的隧穿氧化鈍化接觸電池片技術(shù)，相較于PERC，其在電池的背面采用了鈍化接觸技術(shù)，結(jié)構(gòu)包括隧穿氧化和摻雜多晶硅層，二者共同形成了鈍化接觸結(jié)構(gòu)，為電池的背面，尤其是金屬接觸區(qū)域提供了優(yōu)異的表面鈍化，從而提升轉(zhuǎn)換效率。

最近幾年，經(jīng)過(guò)行業(yè)內(nèi)主流企業(yè)持續(xù)的產(chǎn)業(yè)化探索，憑借成本和性能的有效平衡，TOPCon在設(shè)備端、材料端以及生產(chǎn)端均已達(dá)到較為成熟的階段，在新型高效光伏電池片中率先完成量產(chǎn)，量產(chǎn)效率已突破25%。

根據(jù)上市公司公開(kāi)披露的定期報(bào)告、投資者交流紀(jì)要等相關(guān)公開(kāi)信息，截至2023年9月末，以公司客戶為代表的主流廠商中，晶科能源合肥一、二期以及尖山一、二期累計(jì)35GWTOPCon已達(dá)到滿產(chǎn)狀態(tài)，此外，晶科能源規(guī)劃在越南、袁花、楚雄、上饒建設(shè)合計(jì)35GW的TOPCon電池片產(chǎn)能已經(jīng)在陸續(xù)的建設(shè)中，規(guī)劃的山西56GW的TOPCon垂直一體化大基地項(xiàng)目已開(kāi)工建設(shè)；中來(lái)股份已完成7.6GWTOPCon的產(chǎn)線建設(shè)，另有12GW新產(chǎn)能處于陸續(xù)建設(shè)中；鈞達(dá)股份18GWTOPCon已達(dá)滿產(chǎn)，淮安基地一期13GWTOPCon已投產(chǎn)；隆基綠能和林洋能源已分別公開(kāi)投資建設(shè)30GWTOPCon及20GWTOPCon的計(jì)劃；正泰新能TOPCon整體產(chǎn)能規(guī)劃36GW，處于陸續(xù)建設(shè)中。

目前，TOPCon技術(shù)仍處于持續(xù)的優(yōu)化和迭代過(guò)程中，量產(chǎn)轉(zhuǎn)換效率和產(chǎn)能在過(guò)去一段時(shí)間均呈現(xiàn)出較為顯著的提升趨勢(shì)；由于TOPCon量產(chǎn)轉(zhuǎn)換效率仍有較大的提升空間，加之大產(chǎn)能持續(xù)發(fā)展趨勢(shì)，市場(chǎng)及眾多行業(yè)主流廠商預(yù)計(jì)未來(lái)TOPCon將持續(xù)保持和提升技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)能力，并持續(xù)吸引主流廠商的布局。

B、XBC

XBC電池最大的特點(diǎn)是PN結(jié)和金屬接觸都處于電池的背面，正面沒(méi)有金屬電極遮擋的影響，因此具有更高的短路電流，同時(shí)背面可以容許較寬的金屬柵線來(lái)降低串聯(lián)電阻從而提高填充因子，加上電池前表面場(chǎng)以及良好鈍化作用帶來(lái)的開(kāi)路電壓增益，使得這種正面無(wú)遮擋的電池?fù)碛辛烁咿D(zhuǎn)換效率。

鑒于XBC電池在外觀（表面無(wú)柵線）、發(fā)電增益等方面具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，適用于對(duì)價(jià)格接受度更高的中高端分布式市場(chǎng)和BIPV市場(chǎng)。隆基綠能和愛(ài)旭股份分別推出HPBC電池片以及ABC電池片，截至2023年9月末，隆基綠能兩個(gè)基地累計(jì)產(chǎn)能近35GW，預(yù)計(jì)將于2024年全部滿產(chǎn)；愛(ài)旭股份已滿產(chǎn)6.5GW，并于2023年陸續(xù)新增產(chǎn)能3.5GW和15GW，累計(jì)達(dá)25GW。

C、HJT

根據(jù)CPIA的相關(guān)報(bào)告，HJT電池片中同時(shí)存在晶體和非晶體級(jí)別的硅，非晶硅的存在能夠更好地實(shí)現(xiàn)鈍化。HJT電池的制備工藝步驟簡(jiǎn)單，且工藝溫度較低，可避免高溫工藝對(duì)硅片的損傷，并有效降低碳排放，但是工藝難度大。

相較于TOPCon和XBC，目前主流廠商在HJT領(lǐng)域產(chǎn)能布局尚不廣泛，HJT電池片投產(chǎn)和量產(chǎn)規(guī)模仍較小。

光伏設(shè)備

光伏設(shè)備一般包括熱制程設(shè)備主要包括硼擴(kuò)散、磷擴(kuò)散、氧化及退火設(shè)備等，鍍膜設(shè)備主要包括LPCVD和PECVD設(shè)備等。

光伏電池片設(shè)備

光伏電池片核心工藝設(shè)備主要應(yīng)用于高效光伏電池片生產(chǎn)制造核心工藝環(huán)節(jié)，光伏電池片主要結(jié)構(gòu)及對(duì)應(yīng)的設(shè)備如下：

光伏電池片核心工藝設(shè)備決定了光伏電池片的結(jié)構(gòu)質(zhì)量，會(huì)直接影響光電轉(zhuǎn)換效率，并最終影響下游產(chǎn)業(yè)鏈的成本。

? ?

光伏設(shè)備伴隨光伏產(chǎn)業(yè)共同發(fā)展，規(guī)模和技術(shù)共進(jìn)

光伏電池片制造過(guò)程中，需要經(jīng)歷擴(kuò)散、鍍膜等多個(gè)工藝環(huán)節(jié)，最終實(shí)現(xiàn)特定的結(jié)構(gòu)。工藝解決方案的設(shè)計(jì)，既需要對(duì)工藝環(huán)節(jié)的具體要求有深入理解（以鍍膜為例，需要深入了解所鍍薄膜的材質(zhì)、厚度、均勻度、致密度以及成本等），同時(shí)還要能夠綜合運(yùn)用熱、電、氣或光等物理或化學(xué)原理，并結(jié)合材料特性、化學(xué)反應(yīng)特點(diǎn)、核心零部件參數(shù)特征，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)出實(shí)現(xiàn)特定工藝的設(shè)備。工藝設(shè)備的開(kāi)發(fā)，涉及到熱力學(xué)（特別是高溫相關(guān)的加熱及熱場(chǎng)控制）、流體力學(xué)、無(wú)機(jī)化學(xué)、材料學(xué)、半導(dǎo)體物理學(xué)、電磁學(xué)、機(jī)械自動(dòng)化設(shè)計(jì)、控制理論、統(tǒng)計(jì)學(xué)等多門學(xué)科，設(shè)備運(yùn)行的過(guò)程中，設(shè)備內(nèi)部工藝環(huán)境具有“不可見(jiàn)”和“不可有形捕捉”等特點(diǎn)。設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)需要在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上搭建相應(yīng)的模擬測(cè)試平臺(tái)完成熱場(chǎng)、電場(chǎng)、氣場(chǎng)在預(yù)期工藝環(huán)境下的模擬仿真并通過(guò)材料選型、核心零部件以及精密加工完成最終的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)。

按照光伏制造產(chǎn)業(yè)鏈劃分，可將光伏設(shè)備分為硅片設(shè)備、電池片設(shè)備、組件設(shè)備，其中硅片設(shè)備主要包括單晶爐、切片機(jī)等；電池片設(shè)備主要包括清洗制絨設(shè)備、擴(kuò)散設(shè)備、刻蝕設(shè)備、鍍膜設(shè)備、絲網(wǎng)印刷設(shè)備等；組件設(shè)備主要包括焊接機(jī)、層壓機(jī)測(cè)試機(jī)等。

（1）全球光伏設(shè)備行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模穩(wěn)步增長(zhǎng)

近年來(lái)，隨著光伏行業(yè)快速發(fā)展和技術(shù)的不斷迭代，光伏設(shè)備行業(yè)總體上處于增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，全球銷售規(guī)模從2013年的17.5億美元增長(zhǎng)至2022年的95億美元，復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)20.68%。

（2）中國(guó)光伏設(shè)備是全球光伏設(shè)備行業(yè)最主要組成部分

2020年我國(guó)光伏設(shè)備產(chǎn)業(yè)規(guī)模超過(guò)280億元，同比增長(zhǎng)40%，2021年達(dá)到400億元，同比增長(zhǎng)43%，2022年則達(dá)到650億元，同比增長(zhǎng)62.50%。國(guó)內(nèi)光伏設(shè)備的快速增長(zhǎng)受益于多方面因素的影響，主要因素如下：

A、國(guó)內(nèi)光伏設(shè)備產(chǎn)業(yè)隨著光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展逐步實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化；

B、新型高效電池片技術(shù)的產(chǎn)能擴(kuò)張；

C、大片化、薄片化帶動(dòng)的設(shè)備改造和升級(jí)；

D、組件技術(shù)的量產(chǎn)和擴(kuò)產(chǎn)。

中國(guó)光伏設(shè)備產(chǎn)業(yè)伴隨中國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)共同成長(zhǎng)并相互成就，通過(guò)多年的持續(xù)深耕和迭代，在各個(gè)環(huán)節(jié)均已基本實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，并成為全球光伏設(shè)備行業(yè)最主要的組成部分。根據(jù)CPIA數(shù)據(jù)，2022年，中國(guó)光伏設(shè)備占全球市場(chǎng)份額的比例已超90%。通過(guò)持續(xù)的創(chuàng)新，光伏設(shè)備開(kāi)始對(duì)光伏制造產(chǎn)業(yè)進(jìn)行“反哺”，光伏設(shè)備廠商成為推動(dòng)技術(shù)變革的重要力量，為光伏產(chǎn)業(yè)不斷降本增效做出努力。

未來(lái)，隨著市場(chǎng)需求的持續(xù)增長(zhǎng)、光伏電池片技術(shù)的變革，設(shè)備更新?lián)Q代的周期將會(huì)縮短，光伏行業(yè)對(duì)滿足新工藝、新技術(shù)設(shè)備的需求旺盛。

光伏電池片設(shè)備是實(shí)現(xiàn)光伏電池片技術(shù)革新的關(guān)鍵，助力光伏行業(yè)降本增效

（1）行業(yè)技術(shù)水平及特點(diǎn)

現(xiàn)階段光伏電池片設(shè)備技術(shù)變革主要是聚焦新型高效光伏電池片生產(chǎn)所需要的核心工藝設(shè)備，產(chǎn)業(yè)參與者需具備對(duì)行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)、客戶深層次需求的理解能力，并具有深厚的技術(shù)沉淀、經(jīng)驗(yàn)積累及量產(chǎn)落地的能力，具有較高的準(zhǔn)入門檻。當(dāng)前規(guī)?；慨a(chǎn)的光伏電池片正處于PERC向TOPCon、XBC等新技術(shù)演進(jìn)階段，電池片廠商需要平衡好技術(shù)成熟度、經(jīng)濟(jì)效益等多個(gè)因素，對(duì)上游設(shè)備廠家提出更高的綜合性解決方案要求。設(shè)備廠商需要配合下游進(jìn)行持續(xù)的驗(yàn)證和優(yōu)化，不斷對(duì)解決方案進(jìn)行迭代，以實(shí)現(xiàn)降本增效目標(biāo)的持續(xù)推進(jìn)。此外，由于不同下游廠商可能采用不同的工藝路線或者工藝細(xì)節(jié)，設(shè)備具有一定的定制化特點(diǎn)。

（2）光伏電池片發(fā)展進(jìn)程

近年來(lái)，光伏電池片技術(shù)呈現(xiàn)出持續(xù)的創(chuàng)新和變革趨勢(shì)，PERC替代Al-BSF成為目前最為成熟的技術(shù)路徑。隨著PERC的量產(chǎn)效率已經(jīng)逐漸接近理論極限轉(zhuǎn)換效率，以TOPCon、XBC和HJT為代表的新型高效光伏電池片技術(shù)進(jìn)入規(guī)?；慨a(chǎn)階段。

（3）LPCVD和硼擴(kuò)散設(shè)備是制備N型新型高效光伏電池片TOPCon及XBC的核心工藝設(shè)備

①TOPCon和XBC的核心工序設(shè)備情況

TOPCon電池片由PERC電池片的基礎(chǔ)架構(gòu)升級(jí)而來(lái)，主要差別在于硼擴(kuò)散與隧穿氧化及摻雜多晶硅層的制備：

A由于襯底硅片由P型變?yōu)镹型，所以需要在襯底表面進(jìn)行硼擴(kuò)散以制備P+發(fā)射極；

B背面由隧穿氧化及摻雜多晶硅層構(gòu)成，以多晶硅層的制備方式劃分，主要分為三種技術(shù)路線，分別為L(zhǎng)PCVD、PECVD及PVD，其中LPCVD相較于PECVD、PVD在技術(shù)成熟度、成膜質(zhì)量（均勻性好、致密度高）方面具有優(yōu)勢(shì)，隨著石英管壽命的提升以及雙插工藝（雙插，即一個(gè)舟齒放置兩塊硅片，相較于單插，硅片放置量提升一倍）的不斷成熟，LPCVD已成為下游客戶的主流選擇。除上述外，TOPCon生產(chǎn)過(guò)程涉及的其他設(shè)備則與PERC大體相同，主要環(huán)節(jié)包括清洗制絨、刻蝕、正面氧化鋁（Al2O3）沉積、雙面氮化硅（SiNx）沉積、絲網(wǎng)印刷等。

XBC電池片制造工序較PERC差異較大，但也需要使用LPCVD制備隧穿氧化和摻雜多晶硅層，N型XBC則還需要硼擴(kuò)散設(shè)備進(jìn)行硼摻雜。

②硼擴(kuò)散設(shè)備是制備N型電池片PN結(jié)的主要設(shè)備

N型光伏電池片具有高轉(zhuǎn)換效率、低衰減率、弱光效應(yīng)好和低溫度系數(shù)等優(yōu)勢(shì)，但是，N型硅片需要在硅片表面擴(kuò)散硼元素以達(dá)到形成PN結(jié)的目的，而硼擴(kuò)散設(shè)備一直是困擾N型光伏電池片量產(chǎn)的難題。

硼原子相對(duì)于其擬擴(kuò)散進(jìn)入的襯底硅原子而言，原子質(zhì)量較小，對(duì)硅原子的替代需要更高的能量，硼擴(kuò)散工藝相對(duì)于磷擴(kuò)散需要的溫度更高（由850℃上升至1050℃左右），且擴(kuò)散時(shí)間長(zhǎng)，工藝難度大，設(shè)備維護(hù)費(fèi)用高。行業(yè)內(nèi)原有工藝采用三溴化硼作為擴(kuò)散硼源，通過(guò)氮?dú)鈹y源的方式通入設(shè)備，其通入狀態(tài)為小液滴，在擴(kuò)散過(guò)程中，容易造成硼源在硅片表面分布不均勻，導(dǎo)致形成的PN結(jié)不均勻，同時(shí)產(chǎn)生的副產(chǎn)物為粘稠狀物質(zhì)，設(shè)備需要頻繁維護(hù)，稼動(dòng)率低，運(yùn)營(yíng)成本極高，難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)，主要用于研發(fā)。

低壓水平硼擴(kuò)散技術(shù)，很好地解決了前述技術(shù)瓶頸：

A采用三氯化硼作為擴(kuò)散硼源，在一定溫度下通過(guò)飽和蒸汽壓的方式通入設(shè)備，通入狀態(tài)為氣態(tài)，擴(kuò)散過(guò)程中硼源在硅片表面分布均勻，形成更均勻的PN結(jié)，解決N型電池PN結(jié)制備均勻性較差的難題；

B使用氣態(tài)三氯化硼作為摻雜源，與傳統(tǒng)三溴化硼液態(tài)源硼擴(kuò)散相比，在設(shè)備營(yíng)造的特殊反應(yīng)氛圍下，副產(chǎn)物為粉末狀的氧化硼，石英管壽命長(zhǎng)、維護(hù)費(fèi)用低、運(yùn)營(yíng)成本低。

③LPCVD是制備高質(zhì)量隧穿氧化及摻雜多晶硅層的成熟設(shè)備

目前N型電池片隧穿氧化及摻雜多晶硅層制備的技術(shù)路線分為L(zhǎng)PCVD方案（LPCVD+磷擴(kuò)散設(shè)備）、PECVD方案（PECVD+退火）、PVD方案（PVD+退火）。LPCVD憑借技術(shù)成熟、成膜質(zhì)量高、產(chǎn)能大等優(yōu)點(diǎn)成為下游客戶最主流的解決方案；PECVD方案則在成膜效率方面具有一定優(yōu)勢(shì)，部分廠商也進(jìn)行了采納；少部分廠商基于PVD低繞鍍等優(yōu)勢(shì)則選擇了PVD方案。

在未將光伏級(jí)大產(chǎn)能LPCVD推向市場(chǎng)之前，主要行業(yè)痛點(diǎn)在于：

ALPCVD原成熟應(yīng)用于半導(dǎo)體領(lǐng)域，但光伏相對(duì)于半導(dǎo)體的成本控制要求更高，隧穿氧化及摻雜多晶硅層對(duì)光伏電池片轉(zhuǎn)換效率提升帶來(lái)的收益與相應(yīng)增加的工序成本相比較必須具有經(jīng)濟(jì)性，此外還有大產(chǎn)能的需求，對(duì)于結(jié)構(gòu)構(gòu)造、工藝設(shè)計(jì)提出了特殊的要求；B

石英管損耗較高，增加了生產(chǎn)成本；C鍍膜均勻度較差。

拉普拉斯結(jié)合上述痛點(diǎn)創(chuàng)造性地進(jìn)行了氣流控制設(shè)計(jì)、載片設(shè)計(jì)、非對(duì)稱熱場(chǎng)設(shè)計(jì)、硅片載具的創(chuàng)新設(shè)計(jì)、自適應(yīng)串級(jí)溫控設(shè)計(jì)、優(yōu)化設(shè)備結(jié)構(gòu)延長(zhǎng)石英管壽命和提升產(chǎn)能，并自研新型石英管涂層技術(shù)進(jìn)一步延長(zhǎng)石英壽命，完成了光伏級(jí)大產(chǎn)能LPCVD的量產(chǎn)落地，為客戶產(chǎn)品中隧穿氧化及摻雜多晶硅層制備提供成熟的LPCVD解決方案。

審核編輯：劉清