碳中和光伏产业全面分析:电池TOPCon/HJT叠层钙钛矿,通威爱旭隆基

史晨星
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34. HJT:制绒镀膜印刷,新建产线

1990 年日本三洋开发HIT晶体硅异质结电池(Heterojunctionwith Intrinsic Thin-layer),但HIT被三洋注册为商标又被称为 HJT、HDT、SHJ,同质结电池指同一种半导体材料构成 P-N 结,异质结是两种不同半导体材料构成异质结,兼具晶硅电池优异的光吸收性能和薄膜电池的钝化性能

HJT 在 N 型晶体硅片(c-Si)正反面沉积非晶硅薄膜(a-Si)形成异质PN结,再沉积双面 TCO 透明导电氧化物(Transparent Conductive Oxide) 薄膜、双面金属电极,结构对称,适合于双面发电

PERC 8 道工艺,TOPCon 10 道工艺,HJT 仅 4 道工序:清洗制绒、PECVD/Cat-CVD 沉积非晶硅薄膜,PVD/RPD 沉积 TCO薄膜、丝网印刷

35. IBC:与HIT结合HBC,与TOPCon结合TBC

IBC 叉指状背接触电池(Interdigitated Back Contact Cell)在N型硅片前后表面均覆盖一层热氧化膜,以降低表面复合,在电池背面分别进行磷、硼局部扩散,形成指状交叉排列的PN结,正面无电极,无栅线遮光,能最大限度利用入射光,减少光学损失

IBC 与 HIT 结合可开发出 HBC 电池,效率达 26.63%,与 TOPCON 结合可开发出 TBC(POLO-IBC)电池,效率达 26.1%

IBC 工艺流程复杂:掩膜法制备 PN 结、正反面钝化镀膜、金属化栅线等

36. 薄膜:能商业化的效率偏低,效率高的成本太高难以商业化

薄膜型太阳能电池的发电原理与晶硅电池相同,但应用的是由硫化镉、砷化镓等非硅材料制备成的微米量级厚度的光伏材料,基本产品形态为一层薄膜,故得名薄膜电池

薄膜电池可以制作成非平面构造,可与建筑物结合 BIPV,还可以应用于汽车、手机、衣服、背包、帐篷等

薄膜电池分为硅基薄膜、碲化镉(CdTe)、铜铟镓硒(CIGS)、III-V 族系列砷化镓(GaAs)叠层电池、燃料敏化电池、有机化合物电池等,但能商业化的效率偏低,效率高的成本太高难以商业化

碲化镉 CdTe 薄膜电池以 p 型 CdTe 和 n 型 Cd 的异质结,领军企业美国 First Solar 一度成为全球市值最高的太阳能电池企业,但效率偏低

砷化镓GaAs薄膜电池成本较高,主要用于宇宙空间探测利用(太阳能电池帆板)等方面,美国 Emcore、波音 SpectroLab,中国航天科技上海空间电源研究所、中国电子18研究所等

37. 第三代:叠层钙钛矿、多带隙、热载流子

太阳光光谱能量分布较宽,现有的任何一种半导体材料都只能吸收其中能量比其禁带宽度值高的光子,能量较小的光子透过电池被背电极金属吸收转变成热能,高能光子超出禁带宽度的多余能量使材料本身发热,因此单结太阳能电池其转换效率的理论极限只有 30% 左右

第三代太阳电池有叠层、多带隙、热载流子等

双/多结叠层电池(Tandem/Multi-junction):将带隙不同的两个或多个子电池按带隙大小依次串联在一起,太阳光入射时高能量光子先被带隙大的子电池吸收, 低能量光子被带隙小的子电池吸收,既增加了对低能量端光谱的吸收率,又降低了高能量光子的能量损失,可以显著提高电池效率,钙钛矿Perovskite和晶体硅构成的双结叠层电池理论效率 50%,在实验室研发阶段

钙钛矿电池以有机金属卤化物钙钛矿结构材料(如CH3NH3PbI3和CH3NH3PbBr3)作为吸光层,能隙1.5eV,几百纳米厚的薄膜即可充分吸收 800nm以下的太阳光,成本仅为晶硅电池的十分之一

多带隙太阳能电池:1997 年 Luque 和 Marti 提出中间带太阳能电池模型,在半导体的禁带中引入一个能态密度小窄能带,使得在保持开路电压不变的情况下,增加亚带隙吸收,从而达到增加电流,提高转换效率的目的,极限效率 63.1%,但技术也未成熟

热载流子太阳能电池:光子多余能量赋予载流子较高的热能,这些“热载流子”在被激发后约几个皮秒的时间内碰撞达到一定的热平衡,经过几纳秒载流子晶格发生碰撞把能量传给晶格,几微秒后电子和空穴重新复合,热载流子电池要采用超晶格结构作为吸收层延缓载流子冷却提高对光的吸收,理论极限效率达到 86.8%,还在理论研究阶段

38. 全球:通威、爱旭、隆基

2020 年全国电池片产量 134.8GW,同比增长 22.2%,前五企业占 53.2%,2021 年预计 152 GW
2021 年底通威产能 42 GW、爱旭 40 GW、隆基 35 GW、晶澳、天合、晶科、阿特斯等

601012 通威股份:电池龙头

通威业务分为农业、光伏新能源两大板块,单晶硅产能 8 万吨,电池产能 42GW,全球第一,2020 年完成成都1GW HJT 电池招标

600732 爱旭股份:电池第二

爱旭专注电池环节,2009 年成立,2010 年下线第一片电池片,2015 年量产PERC 单晶电池片,2016 年产量突破 1GW,2017 年 4.3GW,2021 年 40 GW 达全球第二,每一次电池片技术迭代都将带来一次扩产潮,并且重塑市场竞争格局,在最终的技术大一统来临之前,光伏电池片市场难以形成马太效应

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