过去十年,光伏技术经过多次技术迭代,度电成本(LCOE)下降90%,已降至人民币0.3元/kWh以下,相较地热能、生物质能、海上风电等发电方式具备显著竞争优势。2015年以来,全球光伏新增装机量快速增长,五年复合增速达到22%,预计未来新增装机量持续提高,到2030年达到约1TW,复合增速仍将维持20%左右。
随着全球光伏装机量持续攀升,产业供应链各环节原料成本也水涨船高。2022年以来,N型电池片技术加速渗透。预计到2023年底,TOPCon的落地产能超过450GW,HJT落地产能超过100GW。以TOPCon和HJT为代表的N型电池片技术其银浆耗量普遍较P型电池高30-50%以上,势必将导致银浆的供给进一步紧张并引发价格剧烈波动[1]。在光伏TW级规模大背景下,白银价格带动光伏银浆成本持续上涨。Wind数据显示,6月初,伦敦现货白银价格已经上涨到24.32美元/盎司,涨幅超15%,白银价格一年内已上涨25%。
展望2030碳达峰,由N型电池技术所主导的TW级光伏市场,金属化环节的“去银”化的必将成为技术突破的重点方向,目前仅有铜电镀技术可以做到完全“去银”化,使用低成本金属铜作为金属化互联材料替代贵金属银,并在降本的同时进一步提高电池转化效率。目前铜电镀技术正在经历由研发中试线向商业化迈进的重要阶段,各家电池组件和设备企业纷纷加大了对铜电镀技术研发投入。
当前阻碍铜电镀技术量产应用落地的瓶颈主要有以下两点:1.电镀工艺复杂度导致的良率和可靠性问题;2.电镀设备产能稳定性以及过高的设备资本开支。
电镀工艺流程包含“种子层制备、图形化、金属化、后处理”四大环节,复杂度和难度远高于丝网印刷。电镀金属化的过程就是利用电解原理在某些金属表面上镀上一薄层其它金属或合金的过程。目前主流的技术路线有:1)垂直式电镀[2];2)水平链式电镀[3];3)插片式电镀。
其中水平链式电镀技术路线相较垂直式及插片式电镀方式具有显著优势,即①产能相对较高:由于无需手动安装和悬挂即可适应大范围的尺寸,实现全自动操作,因此有助于产能提升;②均匀性:由于电池表面接触溶液均匀,充分保证了最终产品的均匀性和稳定性。而要实现水平链式电镀的优势,需要通过特殊的供电装置与硅片的沟槽进行有效接触,这在材料设计和选型上也提出了更高的要求,需要经验丰富的工程师进行优化和创新设计。
电镀铜技术既能够通过更低的电阻、更高的栅线来提高转换效率,也能够完全替代高价银实现降本,这些都迎合着N型电池金属化工艺的发展方向。对于主流N型电池技术:TOPCon和HJT铜电镀技术的技术就绪水平还存在显著差异[4]。
在行业选择大幅扩产TOPCon电池之后,HJT的参照对象便由PERC电池转变为了TOPCon电池,在成本相对劣势的情况下,HJT如果想实现大规模商业化,必须在电池效率上继续向上突破,受异质结电池工艺温度的限制,低温浆料的退火不超过250℃,电极的导电性较差,电阻率约为6-10Ω.m,是高温浆料的3-6倍,而铜电镀金属化具有更小的金属线电阻1.7Ω.m导电性能佳;此外由于铜栅线相较于银栅线可以做到更细,导致铜电镀的遮光损失相对较少,将有效改善载流子收集;同时电镀铜电极的内部致密且均匀,没有明显的空隙,可有效地降低电池电极的欧姆损耗。综合来看,铜电镀技术相较于传统技术可以实现0.3%-0.5%的效率提升。但是HJT铜电镀技术还存在设备产能有待提升且稳定性有待验证,可以匹配光伏需求的低成本油墨开发较困难,比丝网印刷而言铜电镀多了几道包含湿法在内的工艺步骤,对电池片的良率产生一定影响,铜栅线的脱栅和氧化的问题以及含油墨和金属离子的环保问题。整体看其技术就绪水平仍处于中试研发阶段。
而TOPCon电池使用铜电镀可帮助TOPCon电池实现低接触电阻、改善Voc等:双面TOPCon太阳电池Ni/Cu/Ag电接触的实现是基于激光接触开窗(LCO)与在线电镀Ni/Cu/Ag结合,LCO和镀Ni/Cu/Ag的技术优势包括:在n型TOPCon层和轻硼掺杂发射极上实现低接触电阻、低接触复合、硼发射极可改善Voc、具有低线电阻率的窄接触宽度(<15μm)。TOPCon铜电镀不需要铜种子层以及图形化掩膜材料整体技术就绪水平较高,但是由于TOPCon当前所使用金属化丝网印刷设备成本低廉,且已经形成超过500GW产能规模。如果银浆价格水平维持在合理范围,铜电镀的渗透将受制于过高的设备投资和较长的投资回报周期(大于2年)。如果随着光伏需求不断扩张,光伏装机量迅速提升导致银浆耗量增加,进而带动银价“水涨船高”,TOPCon铜电镀技术将有机会迎来加速渗透的机会,投资回报周期(小于1年)[5]。
目前市场上主要设备公司皆在电镀设备技术领域着墨较多,例如东威科技(688700.SH)是垂直连续电镀设备龙头,下游应用领域如锂电复合铜箔、光伏电镀铜持续开拓。其现有的垂直式电镀铜设备保持投产使用,下一代设备研发中,据称其速率可达8000片以上/小时,大幅降低成本。
罗博特科(300757.SZ)是国内能够提供高端自动化装备和智能制造执行系统软件的企业之一,主要提供满足下游客户技术需求的自动化、智能化设备解决方案,包括PERC、TOPCon、HJT、IBC等技术的设备,截至2023年4