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光伏设备行业深度报告:HJT产业化发展潜力探析
  • 2020-11-06 13:37:20
  • 浏览:1840
  • 来自:未来智库

本篇报告认为设备是解决 HJT 效率提升和成本下降两大产业化难题的关键点之一,结合 HJT 电池的制造特点,通过梳理主流厂商 PECVD 和 PVD 设备的工艺技术路线、设计理念和发展现状,探究了 HJT 设备产业化的发展潜力, 认为通过多角度挖潜,PECVD 和 PVD 设备降本提效仍具挖潜空间,看好国产设备厂商与下游电池厂商共同推进 HJT 产业化到来。

HJT 设备产业化:量产稳定性与成本竞争力的有效平衡

我们认为,HJT 设备需兼顾量产稳定性和成本竞争力方能实现真正意义上的产 业化,这意味着在设备和工艺的磨合联动下,设备端在不增加或仅增加少量硬 件成本的情况下实现单台设备产能的提升,且电池端可连续、稳定地生产和制 造平均量产效率高出 PERC 1.5%左右的 HJT 电池。

PECVD:降本增效为系统工程,存在难度但潜力可期

从市场主流 HJT PECVD 供应商供应的 PECVD 特点看,设备厂商在设计理念 上各具特色,但体现出在提升镀膜质量和优化设备产能方面的持续追求。我们 认为,通过多角度挖潜,PECVD 产能、效率、稳定性等仍具向上提升空间, 提效降本潜力可期。

PVD:国产化降本空间相对有限,靶材优化料助力提效

PVD 整体工艺较为成熟,难度低于 PECVD,各家设备厂商在技术端差异不大, 单台设备产能已实现较高水平,且基本已处于半国产化状态,国产化降本空间 相对有限。产能提升并非 PVD 设备向上优化的瓶颈,努力方向在于改善 TCO 薄膜透光性、均匀性、传导性等指标进而提升电池转换效率,未来靶材的创新 优化或助力进一步突破效率瓶颈。

设备是 HJT 产业化的关键瓶颈之一,其中 PECVD 和 PVD 价值量占比最高,技术难度最大,是提升 HJT 电池效率 和降本的核心环节。本篇报告将从当前 PECVD 和 PVD 设备的主流技术路线和产业发展现状出发,探究 HJT 设备未 来产业化潜力。

一、HJT 设备产业化:量产稳定性与成本竞争力的有效平衡

PERC 效率挖潜或接近极限,降本需求驱动电池片向高效率技术迭代:2014~2019 年 PERC 量产效率从 20.1%提升至 22.5%,保持着每年 0.5%的效率提升速度。目前,通过技术的升级优化,PERC/PERC+的量产效率已突破 23%,或 可进一步向 23.5%靠近,但效率挖潜空间正逐步接近极限。光伏需求大规模释放关键在于相比传统能源可体现更好 的经济性,因此光伏产业具备持续降本需求,高效率低成本技术路线或为终极答案。

HJT 为平台型技术,提效潜力巨大,有望成为下一代主流技术:HJT 电池本征非晶硅层将 N 型衬底与两侧的掺杂非 晶硅层完全隔开,实现了晶硅/非晶硅界面态的有效钝化,带来了相比 PERC 更高的开路电压,从而实现了更高的理 论转换效率。HJT 最高研发效率达到 26.63%,由日本 Kaneka 创造,未来HJT 技术为平台增加叠层技术有望突破 30%的效率水平。现有异质结中试线平均量产效率已普遍接近 24%或达到 24%以上。此外,HJT 双面率高、弱光性 能好、光照稳定性高、温度系数低、无 PID 现象,具有一定的发电增益,从 LCOE 角度出发,HJT 相比 PERC 可以 溢价 20%,从效率角度出发,HJT 效率高出 PERC 1.5%以上则可体现出性价比优势

HJT 工艺步骤简单但十分敏感,要求更加严苛:HJT 生产步骤仅包括制绒清洗、PECVD、PVD/RPD、丝网印刷和 光注入退火五个环节,对应设备分别为制绒清洗设备、PECVD 设备、PVD/RPD 设备、丝网印刷设备和光固化炉。HJT 特殊的晶硅/非晶硅界面态钝化结构对工艺、设备、生产环境、操作水平、材料配套等提出了更加严苛的要求, HJT 尽管工艺步骤简单,但敏感度高,薄膜厚度、压力、真空度、洁净度、流量气体的通过、沉积速率、零部件的 放置位置等各种因素的细微差异均会对镀膜质量产生影响,进而影响电池效率。

设备为 HJT 突破产业化的关键一环:当前 HJT 产业化面临两大难题,一是转换效率尚未较 PERC 取得 1.5%的效率 差优势,二是量产成本相比 PERC 仍然较高。在 HJT 提效降本的过程中,设备具有不可忽视的关键作用,尤其是价 值量占比最高、技术难度相对较大的瓶颈设备 PECVD 和 PVD。一方面,设备硬件结构设计及参数指标的优化,能 够提升 HJT 电池转换效率和量产稳定性;另一方面,单台设备产能的增加和设备国产化,可降低初始投资成本和 HJT 电池综合成本,进而提升 HJT 电池量产经济性。

而 HJT 设备产业化的关键在于有效平衡量产稳定性与成本竞争力:我们认为,HJT 设备需兼顾量产稳定性和成本竞 争力方能实现真正意义上的产业化,这意味着在设备和工艺的磨合联动下,设备端在不增加或者仅少量增加硬件成 本的情况下实现单台设备产能的提升,且电池端可连续、稳定地生产和制造平均量产效率高出 PERC 1.5%左右的 HJT 电池。

HJT 已实现整线国产化,后续降本推力主要在国产设备性能优化和进口零部件国产化:不同于 PERC 技术发展早期, 当前国产设备厂商在 HJT 的设备开发及验证进度方面并不弱,尤其在瓶颈设备 PECVD 环节也已实现较大突破,前 瞻性的研发布局使得国产设备厂商已具备一定的实力与下游电池厂商开展合作,共同推进技术迭代。目前 HJT 各环 节均有国产设备供应商,国产设备的先期导入缩短了 HJT 设备维持高价的时间窗口,带动了 HJT 初始投资成本的快 速下降。全进口设备单 GW 投资金额约为 8~10 亿元,而全国产设备单 GW 投资金额约为 5~6 亿元,短期有望进一 步降至 5 亿元以下。预计未来设备进一步降本空间主要在设备性能提升和进口零部件国产化。

二、PECVD:降本提效为系统工程,存在难度但潜力可期

(一)技术路线优势各异,降本提效“殊途同归”

等离子体增强化学气相沉积(PECVD)指借助微波或射频波使腔室内的反应气体分子电离,形成的高化学活性等离 子体在基片表面发生化学反应,沉积成膜。PECVD 在传统晶硅电池中主要用于钝化层和减反层薄膜的沉积,薄膜厚 度均大于 100 nm;HJT 技术采用 PECVD 在硅片正反面先后沉积两层非晶硅薄膜用作钝化层,钝化层的厚度需控制 在 5~10 nm,其质量的好坏将直接影响电池片的输出效率,对薄膜的均匀性、致密度、容错率要求非常严苛,设备 技术难度大,壁垒高。

PECVD根据等离子发射源的运作情况,可分为动态和静态PECVD;根据设备结构,可分为链式、团簇式和U型PECVD;根据射频频率的不同,又可分为 RF-PECVD 和 VHF-PECVD。

1、静态镀膜运行稳定,动态路线产能优势突出

静态镀膜工艺运行时,固定硅片的载板在成膜期间静止不动,射频电源需进行开关转换,等离子体不断开启和关闭, 导致节拍时间被迫增加,超过实际镀膜时间。动态镀膜方式下,等离子体在腔室内不间断产生,放置硅片的载板按 照设定的速度移动,成膜厚度由载板在腔室内的移动时间决定,所用节拍时间大幅缩短,提高了真空系统使用效率, 产能更高,设备成本相对更低。

但由于非晶硅薄膜沉积过程对各种环境因素的变化具有高度敏感性,动态镀膜工艺中硅片处于移动状态,会在腔室 内引入气流紊乱,严重影响薄膜质量,因此,大多数公司采用了静态镀膜工艺,迈为结合动态和静态两种镀膜工艺 的优势,开发了准动态镀膜方式,有效提升了腔体使用效率。

2、链式结构简单,团簇式自动化配套难度大

为避免交叉污染,大多数厂商的链式(in-line)设备配有多个腔室,单一腔室内仅进行单一类型薄膜的沉积,各沉积 腔室呈链状直线排开,硅片出口和入口位于设备两端,属于顺序、串行式的结构,占地面积较大。目前多数公司采 用链式结构,一些公司还基于链式结构进行改造。

梅耶博格采用盒中盒式的结构,小的沉积腔室位于大的真空腔室中,反应气体只通入里层小腔室,外层大腔室 内不进行薄膜沉积工艺,并通以氮气进行惰性保护,这种结构可便于腔室清洁,并减少设备的维修次数,此外, 梅耶伯格的 S-Cube 结构配有在线清洗功能,可使用 NF3 在等离子辉光条件下在线清洗腔室。

理想万里晖的套盒结构利用其独家的抽屉式反应腔工艺,将单一的反应腔室分割成多个子腔室,并同时运行工 艺,可使产能翻倍提升,目前公司的双腔室叠层设备已实现量产。

团簇式(cluster)设备以中央传输室为中心,各沉积腔与相应的进出通道围绕在其周围,属于并列、并行式的结构, 各腔室相互独立、互不干扰,不同腔室同时进行作业,可同时处理较多硅片,产能较大。团簇式 PECVD 需要采用 机械手或磁臂在中央传输室和各沉积腔室间进行基片传送,传输过程易造成碎片,对机械手的传输效率及稳定性具 有较高的要求,且由于托盘进入各腔室每次都要通过传输腔的中转,增加了机械手的工作负担,减少了机械手的使 用寿命。总体来说,团簇式 PECVD 可通过增加周围沉积腔室的数量来增加硅片的并行处理量,实现产能提升;但 传送系统较为复杂,对自动化配套设备的要求较高,目前应用材料、INDEOtec 采用了这种布局方式。

除链式和团簇式结构外,理想万里晖设计了进片腔、反应腔、传输腔、反应腔、出片腔共同构成的 U 型结构,可有 效利用客户生产场地面积,同时便于后期自动化设备的匹配,可减少机械手传输次数,节省腔体空间,从而降低生 产成本。

3、RF 镀膜均匀性好,VHF 高沉积速率提升产能

气体分子在外加射频场下被电离成对应的等离子体,按照射频施加频率的不同,可分为 RF-PECVD 和 VHF-PECVD 两种,其中 RF-PECVD 的频率一般为 13.56MHz,VHF-PECVD 的频率一般在 30-300MHz 之间。由于射频频率与电 子和气体分子的碰撞几率成正相关关系,一定范围内升高射频频率,反应气体的分解速率将加快,短时间内产生大 量反应活性基团,可提升薄膜的沉积速率;另一方面,高频场下腔室内的电子浓度增加、反应温度和直流自偏压降 低,能够减小等离子体的离化程度以及轰击效应,且有利于生成更多的反应前驱物,保证了薄膜优质生长,薄膜缺更少、致密性更佳、电导率更高。

但是高频场极易导致更多非均匀源的出现,从而引发驻波、奇点等效应,膜面容易脱落或出现条纹,使得薄膜的均 匀性变差;此外,由于甚高频下薄膜的沉积速率会大大增加,不利于沉积过程中对薄膜厚度的精准控制,同时薄膜 厚度的增加也会导致透光率的降低。

(二)聚焦薄膜质量+生产效率,设备厂商多角度挖潜

PECVD 提效降本是一个系统工程:PECVD 是 HJT 技术产业化的核心瓶颈之一,未来主要优化方向为保证镀膜质 量的同时放大设备产能,且硬件成本的增加幅度需尽可能小于产能提升幅度,从而达到降本目标。从市场主流 HJT PECVD 供应商供应的 PECVD 特点看,设备厂商在设计理念上各具特色,但均体现出在提升镀膜质量和优化设备产 能方面的持续追求。值得注意的是,各家厂商在等离子体反应器、射频系统等关键环节的设计均有自身独特之处, 同时在预热、清洗、传动方式等可能影响设备性能的因素上同样在持续挖潜,推动设备不断迭代。我们认为,在工 艺设计和工程环节多角度挖潜的推动下,PECVD 性能仍具向上提升空间,提效降本潜力可期。

镀膜质量方面:薄膜质量直接决定了 HJT 电池的转换效率和良率,改进核心在于围绕等离子体对腔体、传输结 构、射频系统等进行匹配,保证薄膜的均匀性、致密性、厚度、透光率等多个指标达到较高水平。此外,HJT 存在效率分布较宽的问题,批次间稳定性面临一定挑战,对反应腔设计和清洗提出了更高的要求。

设备产能方面:做大腔室和做多腔室是目前提升 PECVD 设备产能的两大主要方向,但做大腔室易带来镀膜不 均匀问题,做多腔室路线下设备成本下降空间则较为有限。此外,在腔室数量/大小一定的情况下,PECVD 的 工艺设计也会决定设备的产能提升潜力,诸如传输结构、腔体设计、射频系统、相位调制技术、传动方式、硅 片装载数量、清洗方式、预热方式等方面的微小改进都有可能带来工艺节拍的缩短、uptime 的提高、良率的提升,进而提高设备的生产效率和产能。

国产化方面:近年来,国产设备厂商 PECVD 的开发、验证已取得积极进展,未来通过与电池厂商增进合作, 有望加深对 HJT 技术的理解,积累更加丰富的 know-how 经验,国产 PECVD 有望展现更大优势。

1、Meyer Burger:创新等离子体反应器设计,钝化效果出众

盒中盒式 S-Cube 等离子体反应器,钝化效果优:梅耶伯格是老牌光伏设备供应商,持续多年的研发投入和技术跟 进使其在 PECVD 领域保持着较强的技术领先性。梅耶伯格针对 HJT 开发了 HELiAPECVD 型号 PECVD 设备,采用盒 中盒式 S-Cube 离子体平行板反应器,利用 13.56MHz 射频源最小化等离子体在沉积过程中对薄膜造成的损伤,以获 得较高的钝化质量。硅片少数载流子的寿命决定了钝化质量,梅耶伯格的 PECVD 设备沉积后可实现区熔单晶硅(FZ)少子寿命超过 10ms,直拉硅片(CZ)少子寿命超过 4ms,制造出的电池片温度系数最优可达-0.25%/K。

腔室独立+在线清洗功能降低污染水平及运营成本:本征、N 型、P 型非晶硅薄膜沉积分别在独立腔室内完成,载片 在腔室间的传输均在氮气保护下进行,可实现极低的污染水平。沉积腔室配有在线清洗功能,外部大腔室不直接接 触反应物的结构设计,降低了腔室清洁的复杂程度和设备的维护频率,降低了设备运营成本。

在线加热功能缩短 cycle time,提升设备产能:HELiAPECVD 的基片传输盘具备在线加热功能,可保证基片始终处于 工作温度,大大节省了薄膜沉积前的基片加热时间,一个托盘的硅片在非晶硅沉积步骤完成的周期时间(cycle time) 仅为 84s。托盘可装载 56 片 6 寸硅片,设备 uptime 为 90%,每小时设备生产量为 2400 片,对应产能 110MW。

今年 6 月,梅耶伯格发布公告,拟募资 1.65 亿瑞士法郎以在 2021 年启动 HJT 电池和组件项目,初期产能 400MW, 聚焦欧洲和美国住宅市场,正式转型电池组件供应商,未来不再对外出售 HJT 和 SWCT 生产设备。

2、INDEOtec:专有反应器设计和独特电极布置实现双面沉积

Mirror 技术缩短工艺周期,ACCT 保证成膜质量:INDEOtec 成立于 2007 年,是一家专注于薄膜太阳能电池 PECVD 工艺设备研发、生产和销售的瑞士设备生产商。公司已开发出专用于 HJT 非晶硅薄膜沉积的 OCTOPUS 系列设备, 采用 Mirror 核心技术,可在无需破坏真空且无需翻转基板情况下完成基板双面的沉积,可降低工艺周期,提升产能。此外,公司还采用 ACCT(抗交叉污染处理)特殊技术,避免前一沉积过程中残留在腔壁或电极上的反应物污染下 一沉积过程,保障了多层薄膜的沉积质量。目前应用该设备的 6 英寸的直拉硅片(CZ)上少子寿命可达 5ms,4 英寸的 区熔硅片(FZ)上少子寿命达 10ms。

增加第三电极提升薄膜均匀性:为提高等离子体转向能力,公司还在设备原有的 IRTF(集成射频电极)等离子技术 基础上增加第三个电极,减少等离子体对基片表面的轰击,有效提升薄膜沉积均匀性和钝化效果。

在 OCTOPUS 系列中,OCTOPUS II 为 R&D 设备,用于研发和试生产线,使用并行和顺序处理模式;OCTOPUS III 量产平台拥有八面系统,主通道拥有 4 个腔室,用于装载、传输、基片的加热和冷却,周围配有 4 个沉积腔室,用 于基片的双面沉积,载板单次可装载 36 片硅片,生产时工艺腔可放置 3 个载板(共 108 个硅片),实现模块共享, 节约硬件使用频率,该设备每小时可生产电池片 3000 片以上,产能约 140MW。

3、Applied Materials:显示技术迁移至 HJT,针对性开发力度略显不足

应用材料是全球最大的半导体设备制造商,为全球半导体、平板显示器、太阳能光伏发电及相关行业提供制造设备、 服务以及软件产品,其最早推出的 AKT 系列 PECVD 设备,应用于 TFT-LCD(薄膜晶体管液晶显示器)领域,可在 面积 1.6 到 5.7 平方米的玻璃基板上沉积高度均匀的低温多晶硅薄膜。后期,应用材料将 AKT 系列设备改进应用于 太阳能电池制造领域,开发出 PECVD 5.7 系统,PECVD 5.7 系统基板面积最大可达 5.7m2,薄膜沉积速率超过 500 /min,拥有 7 个独立的反应腔室围绕在中央传输腔室周围,各沉积反应腔独立并行运行,具有较大的产能优势。用材料将 PECVD 5.7 系统迁移至 HJT 电池非晶硅薄膜的制备环节,但并未针对 HJT 技术做特殊的开发。

4、理想万里晖:频率自适应技术提高镀膜质量,套盒结构助力产能升级

上海理想万里晖薄膜设备有限公司于 2012 年 4 月从母公司理想能源 PECVD 事业部分拆,于 2013 年 5 月完成注册, 2019 年 10 月完成 A 轮融资。理想万里晖专注高端 PECVD 设备的研发,2017 年第一代年产能 60MW HJT PECVD 推向市场,并获得 22 台量产设备订单。据理想万里晖官网披露,公司异质结 PECVD 平均量产效率 24%,曾获得 ISFH 认证的 25.11%的最高转换效率。

多层反应腔双真空系统助力产能大幅提升:理想万里晖 OAK 系列量产设备采用双真空反应腔的结构,沉积腔室均 位于大的真空腔内,内外腔压力差小,反应腔形变小,腔内上下极板可同时发热,降低热漂移和粉尘、颗粒出现的 概率,改善成膜质量;小腔室清洗方便、无需开腔维护,气体消耗量仅为传统的 1/8,可有效节约工艺气体用量。抽 屉式反应腔属于公司的独家核心技术,沉积腔室内部被分割成多个子腔室,可实现工艺并行运行,使产能翻倍;该 套盒工艺设计可兼容不同型号的设备,研发和量产设备工艺共享,研发工艺可直接导入量产,加快设备产业化进程。

先进等离子体匹配系统缩短等离子体稳定时间,提升表面钝化效果:PECVD 采用静态镀膜的方式,等离子体每次开 启时会存在一段不稳定期,影响成膜质量,针对此问题理想万里晖引入先进等离子体系统,将等离子体稳定时间缩 减至 0.3s。此外,为改善甚高频等离子体反应腔内电磁场均一性,公司运用相位调制技术,提升了镀膜均匀性。

设备向大产能迭代,三代设备产能有望继续提升:理想万里晖 HJT PECVD 拥有 Pine-M-R-5 研发型设备和 OAK列量产型设备,量产型 OAK 系列设备至今已推出 OAK-U-5、第 2OAK-DU-5、第 2.5OAK-DU-PLUS 产品, 单台设备产能从第一代的 50-60MW 左右提升至 2.5 代的 250MW,公司预计三代设备 OAK-MC 可实现 500MW 的单 台设备产能。

5、钧石能源:独特 RF 设计优化薄膜质量,大尺寸载板提升产能

钧石(中国)能源有限公司主要针对新一代高效太阳能电池产品进行研发、制造以及销售,其研发的 PECVD 已在 多条自建 HJT 中试线上投产。钧石能源模块化链式 PECVD 系统采用独特的 RF 电极设计,电极间距可调节,设备 起辉功率低,稳定性好,多点射频输入和最低射频功率点火的设计可有效降低等离子体对基片的损伤,低功率薄膜 钝化后的晶体硅少子寿命接近其本征寿命。载板温度均匀,沉积薄膜厚度均一性好。此外,硅片上下料已全部实现 自动化,生产效率高,载板单次可装载 144 片基片(12*12 载板尺寸),并可兼容 M6、M10、G12 硅片,设备 uptime 超过 90%,每小时产量超过 3500 片。

6、迈为股份:采用准动态镀膜工艺,高产能优势突出

迈为股份自研 PECVD 采用准动态镀膜工艺,已在通威合肥异质结中试线运行半年以上。8 月,迈为股份中标安徽宣 城高效硅异质结项目的一条整线,中标信息显示迈为股份 PECVD 各项指标优势突出,产能最高可达 8000 片/小时, 转换效率 24%以上,uptime≥90%。

7、捷造光电:inline 线列式系统,兼顾沉积效率及稳定性

捷造光电 PECVD 采用 inline 线列式结构,反应腔采用隔离的全铝热壁反应区结构,拥有 4 个独立的 PECVD 模块处 理双面异质结工艺,保证非晶硅工艺稳定;电极间距可调,并搭载 RF 快速匹配技术,缩短功率稳定所需时间;采 用滚轮式传输结构,保证了较高的可靠性且易于维护。捷造光电 PECVD 采用模块化设计,可适应不同结构工厂布 局和自动化配套,设备整体结构紧凑,便于维护和检查。

8、捷佳伟创、金辰股份亦积极布局 PECVD

捷佳伟创与爱康科技签署 2GW 异质结电池项目合作协议,聚焦 PECVD 和新式 TCO 镀膜设备的共同研发。金辰股 份发布非公开发行预案,拟募集不超过 38000 万元用于“年产 40 台(套)光伏异质结(HJT)高效电池片用 PECVD 设备”项目和补充流动资金。

三、PVD:国产化降本空间相对有限,靶材优化将助力提效

(一)产能提升并非瓶颈,降本空间相对有限

HIT 表面的 TCO 薄膜的作用为收集光生载流子并将其输送到金属电极上,导电性好、透过率高是 TCO 薄膜需要具 备的关键特性。在工艺方面,目前主要采用 PVD(磁控溅射)和 RPD(反应等离子体沉积法)两种方式,PVD 利用 经过加速的高能粒子轰击靶材,使靶材表面的原子脱离晶格逸出沉积在衬底表面发生反应而形成薄膜;RPD 法利用 等离子体枪产生氩等离子体,氩等离子体进入生长腔后,在磁场作用下轰击靶材,靶材升华形成蒸气实现薄膜沉积。

PVD 工艺稳定、成本更低,RPD 镀膜质量优,但存在专利问题:PVD 技术的优势在于设备成本较低,成膜均匀性 更好,镀膜工艺稳定,能够满足大规模产业化需求,但由于等离子体中包含大量高能粒子,会对基板表面产生强烈 的轰击刻蚀作用,且沉积速率较慢。而 RPD 技术的等离子体能量分布相对集中且离化率更高,高能离子较少,表现 出低离子损伤的优良特性。同等条件下,RPD 技术制备的 TCO 薄膜结构更加致密、结晶度更高、表面更加光滑、导 电性更高、光学透过率更好1。此外,RPD 方法还具备低沉积温度、高速生长等优点,缺点在于设备成本较高,但 RPD 核心专利技术被日本住友垄断,故现有产线基本采用 PVD 路线,捷佳伟创获得日本住友授权,可制造 RPD备。

PVD 整体工艺较为成熟,难度低于 PECVD,各家设备厂商在技术端差异不大,基本均可在真空、无翻转的情况下 实现双面薄膜沉积,多数厂商还具备完善的自动化配套设施以及模块化结构,并搭载旋转靶提高靶材利用率,单台 产能已实现较高水平,冯阿登纳最新一代 PVD 设备产能可达 8000 片/小时,未来计划进一步提至 10000 片/小时, Singulus 量产设备最高产能也实现了 6000 片/小时,迈为近期在安徽宣城中标的 PVD 设备产能指标也达到了 8000/小时的水平。可见,产能提升并非 PVD 设备向上优化的瓶颈,努力方向在于改善 TCO 薄膜透光性、均匀性、传导 性等指标进而提升电池转换效率。

成本方面,一方面,PVD 单台设备产能已实现较高水平,另一方面,冯阿登纳等外资厂商通过在国内设厂,基本实 现了 PVD 设备的半国产化状态,料未来 PVD 设备国产化的成本下降空间较为有限。

1、冯阿登纳:技术积淀深厚,设备性能出众

冯阿登纳成立于 1991 年,前身是德国曼弗雷德·冯·阿登纳研究所,拥有 50 多年的电子束工艺经验以及 40 余年的 磁控技术积累,已经开发出多款适用于 HJT 的 PVD 设备,包括用于实验室或试生产线的 SCALA 系列和用于量产的 XEA|nova 系列。

其 PVD 设备可以实现在不翻转基片、不破坏真空的条件下双面沉积 TCO 薄膜,整个沉积过程中精准控制衬底温度, 保证良好的沉积效果,同时做到边缘隔离。公司将自主研发的可旋转磁控溅射技术应用于磁力极强的磁棒上,使得 腔内磁场比竞争对手高出 15%,降低了沉积过程中的工艺电压,进而降低了非晶硅底层的受损程度,同时也改善了 TCO 的透明度、传导性等,提升成膜质量。

设备沉积腔室设计较为灵活,既可配置平板式或旋转式、单个或双磁控管,又可以配置电子束枪或各种蒸发源,同 时可在真空状态下或在进入真空状态前进行清洗或刻蚀等特殊预处理。此外,设备自动化配套设施完善,硅片自动 上下料及传输系统自动化程度高,使用标准化模块,整个系统的工艺流程灵活可变,可针对客户需求定制化布局方 式。

2、Singulus:模块化结构设计灵活,量产设备产能最高可达 6000 片/小时

公司设计的 PVD 同样可以在全真空、无翻转的情况下进行双面沉积,同时做到边缘隔离,可用于溅射沉积 Ag、Cu、 Al 等金属膜层和 ITO、AZO 等 TCO 薄膜。该设备采用模块化结构,各腔室独立工作,正背表面溅射方向(top down /bottom up)可灵活选择,旋转式圆柱形磁控管的引入将靶材利用率从 30%提升至 80%。沉积流程中的温度控制是 Singulus PVD 设备的核心技术,可将沉积温度稳定控制在 200℃以内,进而提高薄膜沉积质量。

自动化方面,自动化系统结构设计灵活,不同的上下料方式可供选择。

Singulus 目前在售 PVD 共三种机型,包括 GENERIS LAB、GENERIS PVD 3000 和 GENERIS PVD 6000,工艺周期 在 45~75s 之间,托盘单次可装载 64 片硅片。其中 GENERIS LAB 是实验室研究的专用设备;GENERIS PVD 3000 和 GENERIS PVD 6000 是工业量产设备,每小时产量分别可达 3000 和 6000 片。

3、Meyer Burger:溅射工艺完美平衡效率提升与成本下降

梅耶伯格 HELiAPVD 同样采用模块化结构,可在真空环境内无翻转实现双面薄膜沉积,且包含边缘隔离工艺。设备有完善的自动化设施,可更高效且保证质量地处理硅片;选用圆柱形溅射磁控管,提高靶材利用率及镀膜效率。公 司的 PVD 与 PECVD 在薄膜质量和产量方面匹配度高,每小时产量约 3000 片,年产能超过 140MWp,uptime 大于 94%,单个托盘 cycle time 约 36s,托盘单次可装载 30 个 M2~M4 硅片。梅耶伯格的 PVD 溅射工艺使得 TCO 薄膜具有很低的光吸收率,可以实现和 RPD 媲美的电池效率,同时资本开支和运营成本减少 30%。

4、钧石能源:专用大产能 PVD 系统助力 HJT 量产

钧石能源自研的 PVD 可进行双面 ITO 薄膜沉积,已在福建金石 100MW 和钜能 500MW 两条中试线运行。设备采用 双旋转靶设计,靶材利用率超过 80%,独特的阴极靶座设计,提高了溅射工艺的稳定性和可重复性。设备预热腔室 和沉积腔室配有原位加热元件,沉积温度可控制在 200℃左右,薄膜厚度均匀性可控制在 5%以内。设备产能超过每 小时 5000 片,uptime>90%,可兼容 M6、M10 和 M12 尺寸的大硅片。

5、捷佳伟创:新型 RPD5500A 有望助力效率提升,二合一设备值得期待

捷佳伟创获得日本住友对 RPD 在中国大陆地区的独家授权,开发了应用于 HJT 的 RPD 设备,2019 年 6 月捷佳伟创 为通威成都超高效 HJT 电池项目提供了 RPD 设备。今年 9 月,捷佳伟创在官方微信上披露,推出自主研发的新型 RPD5500A 设备,在原有技术基础上采用半导体平板显示行业最前沿加热、冷井等多种核心技术,开发了多种复合 工艺组合设计,扩大入光面的受光面积而获得高效增益,结合新一代的靶材技术和工艺,载子迁移率可超 140,带 来更高的效率增益、更低的电子共振吸收、更好的长波透光率、更优的导电性。RPD5500A 设备 uptime>90%,膜厚 均匀度可控制在 5%以内,碎片率≤0.05%,产能可达到 5500 片/小时,已完成厂内装配调试。

捷佳伟创还规划推出二合一设备 PAR5500,正面采用新型 RPD,背面采用 PVD,该设计可使占地面积减少一半,并 大幅降低设备成本。

6、捷造光电:定制磁场设计提升镀膜质量

捷造光电用于 HJT 的 PVD 设备采用 inline 溅射系统,配备大功率长寿命旋转阴极,定制磁场设计,降低电压,减少 高能粒子对基片的轰击,进而提升了成膜质量,靶材利用率大于 75%。节拍时间 72s,膜厚均匀性和方阻均匀性分 别控制在 4%和 5%以内。

(二)靶材优化有望带动转换效率提升

与 PECVD 相比,PVD 没有明显的核心壁垒,单台设备产能已提升至较高水平,未来靶材的优化有望带动转换效率 进一步提升。目前 PVD 主要采用 ITO 和 SCOT 靶材,RPD 主要采用 IWO 和 ICO 靶材,靶材的选择决定了薄膜的光 电特性,进而影响电池转换效率,IWO 相比于 ITO 更容易获得较高的转换效率,但随着靶材配方的探索改进,ITO 薄膜的光电性能亦有所提升,进一步改善了电池转换效率。

壹纳光电的经验数据表明,ITO 的锡含量越低,电池转换效率越高,97/3 和 99/1 低锡含量溅射靶材所制备的异质结 电池的转换效率要优于普通成分比为 90/10 的 ITO 靶材。冯阿登纳的 99/1 ITO 靶材方案得到的转换效率也要优于 90/10 ITO 靶,先99/1 ITO 靶,再98/2 ITO 靶则会具有更好的效果。近年来,靶材环节取得了较为明显的进步, 未来新材料的创新和开发有望进一步带动电池转换效率的提升。

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关键字阅读: HJT 异质结 电池
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