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光伏产业发展,太阳能电池激光加工设备市场有望超58亿元

光伏产业的发展经过转折,如今,在政策推动下整体呈向好趋势。作为全球能源科技和产业的重要发展方向,光伏既是具有巨大发展潜力的朝阳产业,也是我国具有国际竞争优势的战略性新兴产业。2020年4月,《关于做好可再生能源发展“十四五”规划编制工作有关事项的通知》中提到,力争在2030年达到非化石能源消费占比20%的战略目标。“十四五”规划提出2030年“碳达峰”,2060年“碳中和”。

而在日前,国家能源局下发了一则通知,提出开展整县(市、区)推进屋顶分布式光伏建设,项目申报试点县(市、区)的党政机关建筑屋顶总面积可安装光伏发电比例不低于50%;学校、医院、村委会等公共建筑屋顶总面积可安装光伏发电比例不低于40%;工商业厂房屋顶总面积可安装光伏发电比例不低于30%;农村居民屋顶总面积可安装光伏发电比例不低于20%。

要实现“碳中和”,光伏产业的发展将发挥巨大作用。

在光伏产业的发展中,激光技术应用众多。作为一种高效精确加工方式,激光加工以精确的图案化局部加工和快速切割能力,成为提升光伏产品转换效率的重要方式。激光加工技术在太阳能电池生产中主要用于消融、切割、刻边、掺杂、打孔等工艺。

激光加工太阳能电池

太阳能电池是通过光电反应将光能转换成电能的能量转换器,太阳能电池转换效率是降低光伏成本的重要因素。在太阳能电池生产中,激光加工技术主要应用于PERC、SE、MWT等电池片工艺,以提高光电转换效率。自PERC+SE工艺和激光划片工艺普及以来,极大地推动了光伏产业技术进步。

光伏产业发展,太阳能电池激光加工设备市场有望超58亿元

图 激光加工工艺在太阳能电池不同环节的应用情况

(来源:帝尔激光招股书)

提升太阳能电池光电转化效率的关键在于控制光学损失和电学损失,目前,具备产业化基础的提升太阳能电池光电转换效率的方式包括PERC、SE、MWT等,根据中国光伏行业协会统计,技术水平下的效率提升效果如下(数据来源于帝尔激光2019招股说明书)。

光伏产业发展,太阳能电池激光加工设备市场有望超58亿元

就在近期,通威集团旗下的通威太阳能利用PERC量产设备,通过电池制程工艺创新,M6大尺寸全面积(Area=274.50cm2)电池转化效率可达23.47%,经ISO/IEC 17025第三方国际权威机构认证,创造了M6大尺寸全面积产业化PERC电池效率的世界纪录。

1)PERC激光消融工艺

PERC高效太阳能电池是通过在电池背面增加钝化层,一方面阻止载流子在一些高复合区域(如电池表面与金属电极的接触处)的复合行为,减少电损失;另一方面同时可以增强电池下表面光反射,减少光损失,从而提高电池的转换效率,提高电池的性能。

早期实验室的湿法刻蚀工艺,产业化难度和成本高。此外,采用激光也要求激光加工能够定位最优化的能量密度分布,精确控制作用时间,并保证每个脉冲严格一致。只有特制的激光器和光路控制,配合长期积累的工艺经验,才能得到最佳的电池性能。迅速定位与特定材料加工匹配的微纳级激光加工技术和适应高效生产的控制系统是PERC电池激光加工设备的技术核心,同时也是高效太阳能电池实现产业化的保证。

光伏产业发展,太阳能电池激光加工设备市场有望超58亿元

图 标准光伏电池与PERC光伏电池 (来源:ISFH)

在PERC技术中,难点之一是背面电极透过钝化层实现微纳级高精度的局部接触。加工过程中,在对钝化膜精密刻蚀的同时,不能损伤到硅衬底材料,否则会影响电池片最终转化效率。

相对于传统工艺的太阳能电池制造,PERC高效太阳能电池制造只需要增加氧化铝镀膜设备、激光加工设备及其它少量辅助设备即可完成生产线的升级和改造,可以兼容现有生产线,有利于以相对较低的成本提升电池技术参数和生产效率,对太阳能电池制造企业具有很强的吸引力。

2)SE掺杂工艺

SE电池(选择性扩散电池)是通过在晶硅太阳能电池电极栅线与硅片接触部位区域进行高浓度磷掺杂,从而降低电极和硅片之间的接触电阻;电极以外区域进行低浓度浅掺杂,降低表面复合速率,从而有效实现电池的开压、电流和填充因子的改善,提高光电转换效率。

SE电池制备的主要工艺方法包括丝网印刷掺杂源高温扩散法,离子注入法和激光掺杂法等。激光掺杂具有提效明显、工艺流程简单、投入成本低、设备紧凑、占地面积小、无污染,与传统太阳能电池生产线相兼容性强等特点,因而逐渐成为了行业主流的选择性发射极制备方式。

3)MWT工艺

MWT(金属穿孔卷绕技术),用以制备背接触MWT电池,该技术采用激光打孔、背面布线的技术消除正面电极的主栅线,正面电极细栅线搜集的电流通过孔洞中的银浆引到背面,这样电池的正负电极点都分布在电池片的背面,有效减少了正面栅线的遮光,提高了光电转化效率,同时降低了银浆的耗量和金属电极-发射极界面的载流子复合损失。

光伏产业发展,太阳能电池激光加工设备市场有望超58亿元

图 P型硅MWT电池结构示意图

(来源:帝尔激光招股书)

和常规组件相比,MWT电池制造省去了复杂的高温焊接过程,更容易实现自动化和更高产能,降低破片率。

MWT电池制造中在硅片、铜箔和封装材料中做精准打孔是重要步骤。低功率、短波长的激光器打孔的质量好、热损伤小,但速度慢、成本高,不适合规模化生产;高功率、长波长的激光器打孔速度最快,但热损伤大,容易产生隐裂,影响产品质量。选择稳定性最佳的激光器,性价比最佳的波长,调整合适的功率、频率和脉宽、光束质量等参数是做好MWT电池的基础。

光伏产业发展,太阳能电池激光加工设备市场有望超58亿元

图 P型硅基MWT电池基本工艺流程

4)LID/R工艺

该工艺通过超高功率光照射电池片,产生大量光生载流子来改变体内氢的价态,快速实现硼氧结构由高活性的复合体转变为低活性的再生态,以达到降低光致衰减目的。激光因高光强、方向性好、能量转换效率高等特性,在LID/R技术工艺中有较好的应用效果。利用激光在太阳能电池上实现LID/R从实验室到量产阶段需有快速精准的激光自动化温控系统及商业电池面积尺寸的均匀光照能量覆盖,其实现难度较大。

5)划片/裂片工艺

组件技术是未来效率提升的重要发展方向,半片、叠瓦、拼片等组件技术相继亮相并发展。

半片组件是指将电池对切后串联起来的技术,因电池片面积减小一半,电流降为原来1/2,串联电阻引起的内部损耗降低为整片电池的1/4,进而提升组件功率。因高效太阳能电池的输出电流更高,组件封装损耗大于常规电池,将半片技术应用于高效太阳能电池后增益效果也更加明显。

叠瓦组件是指将太阳能电池在优化栅线设计后切成多个小片,然后将每小片以类似导电胶的方式叠加串联,通过串并联的方式做成组件,令电池间的缝隙降到最低,因此在同样的单位面积中可以铺设更多电池,增加组件输出功率。

利用激光可以实现电池片半片或多片的自动切割、裂片。为了将切片前后电池性能损失降到最小,半片的切片工艺对于激光切割方向、深度、热影响区、切割面形貌等有严格要求。相较而言,叠瓦的加工工艺难度更高,需在半片工艺的基础上大幅提高对激光图形重复和定位精度的要求。

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布局光伏激光设备企业

1)帝尔激光

帝尔激光是成立于2008年4月25日,主营业务为精密激光加工解决方案的设计及其配套设备的研发、生产和销售,主营产品为应用于光伏领域的精密激光加工设备。现已成为光伏领域精密激光加工设备龙头,具备强势的市场竞争地位和过硬的产品竞争力。除武汉总部外,公司分别在无锡、以色列特拉维夫设立全资子公司。2020年,帝尔激光入选工信部等国家六部委“智能光伏试点示范企业”。

帝尔激光的主要产品包括PERC激光消融设备、SE激光掺杂设备、MWT系列激光设备、全自动高速激光划片/裂片机、LID/R激光修复设备、激光扩硼设备等激光设备。同时,已成功将激光加工技术应用到PERC、MWT、TOPCON、IBC、HJT等新型高效太阳能电池及组件技术。2020年,在国内主要光伏电池厂商的PERC工艺产线上,公司的PERC激光消融和SE掺杂设备延续以前年度较高的市占率。

公司针对不同的电池工艺均有开展研发,继续加深P型PERC电池工艺的研发,包括PERC+工艺等,也对Topcon、HJT等N型电池工艺进行相应的技术研究,同时积极跟进市场降本增效动向,加强太阳能电池激光LID/R(激光修复)技术、激光转移印刷技术、无损划片技术的研发,以及激光在电池片生产环节的其他应用,进一步拓展了公司技术储备。

2020年12月,帝尔激光发布公告称,拟募资总额不超过8.4亿元,投资于高效太阳能、电池激光印刷技术应用研发项目、新型显示行业激光技术及设备应用研发项目并补充流动资金。项目预计建设期为3年,2023年投入完成。

2)大族激光

大族激光作为激光、机器人及自动化智能制造解决方案提供商,在光伏行业激光加工设备主要包括划裂机、开膜机、掺杂机等,并已形成批量销售,取得了隆基股份、通威股份等行业大客户订单。

2020年公司显示面板及半导体相关业务实现营业收入10.27亿元,较上年度增长6.67%。其中,光伏行业激光加工设备实现营业收入1.19亿元,同比增长88.59%,划裂机、开膜掺杂机等设备形成批量销售。

光伏产业发展,太阳能电池激光加工设备市场有望超58亿元

图 大族激光光伏激光设备 (来源:大族显示与半导体官网)

大族激光紧跟市场需求与趋势,组件效率的提升也是实现光伏平价上网的有效手段之一。下游厂商对激光划裂技术提出更严苛的要求,主要体现在增强电池片机械强度上。大族光伏装备凭借多年的技术沉淀,根据市场需求,研制出创新的无损激光划裂技术。该技术已实现产品化,通过严苛的大尺寸、高密度封装工艺验证,成功打入市场。大族光伏装备的无损激光划裂设备适用于156mm×156mm-230mm×230mm电池片。该加工技术采用应力切割原理,不存在激光热烧蚀和机械裂片过程,可使电池片应力断面干净、整洁,没有任何损伤点,极大地提高了电池片的机械强度,保证了组件加工的良率和可靠性。

光伏产业发展,太阳能电池激光加工设备市场有望超58亿元

图 无损激光划裂硅片切割面图 (来源:大族光伏装备)

3)盛雄激光

盛雄激光成立于2008年4月8日,致力于打造中国先进的装备智造商。近期,盛雄激光入选2021年工信部首批国家级专精特新”小巨人“企业。

针对光伏行业,盛雄激光研制的光伏激光开槽机主要用于高效太阳能电池(主要是PERC电池)的背开槽环节。这款设备有着更高的重复频率(自主研发激光器,最大可达2MHz)、更高的产能(每小时产能大于7500uph)、更低的隐裂风险(小于0.01%)和更高的性价比(皮秒性能,纳秒价格)。光伏激光掺杂机主要用于高效太阳能电池正面掺杂环节。该款设备采用德国进口光学器件,使聚焦方形光斑更均匀(≤5um),激光后扩散方阻可调(方阻降幅≥50Ω)。

6月,在“SNEC第十五届国际太阳能光伏与智慧能源(上海)展览会暨论坛”上,公司展出了其自由研发的光伏行业成熟的激光开槽与激光掺杂技术解决方案。该款由公司研发的激光PSG掺杂设备,工艺效果极佳,稳定性高,最大特点在于模块化设计,使用进口的光学器件。

4)三工光电

武汉三工光电设备制造有限公司成立于2005年,是国家认定的高新技术企业,863项目承担单位,拥有自营进出口权。三工光电致力于激光加工设备和太阳能成套设备的研发生产,主要产品包括太阳能电池串焊机、激光划片机等。

除上述企业外,还有一些激光企业同样已有产品应用于光伏领域。近期刚在深交所创业板上市的英诺激光在回答投资者提问中,表示公司产品已应用于光伏领域。据公司官网信息,PERC电池激光开槽应用,能够实现高质量选择性打孔,点直径为25-35μm,线速度可达30m/s;锐科激光华工科技产品已应用在光伏领域的硅片切割中;江苏启澜激光、珠海粤茂激光也有相关光伏激光设备。

高效太阳能电池激光加工设备市场总量有望超58亿元

随着中国光伏行业逐步发展成熟,并在全球范围内取得领先优势。技术发展、减碳目标和政策导向将进一步带动光伏产业发展。光伏产业降本增效的需求,也将进一步驱动对光伏激光设备的需求。根据PV Infolink研究报告,至2021年,全球光伏电池产能将达到约187GW,其中PERC电池产能预计约为126GW左右,占比约67%。另外,SE与电池片产线的强兼容性,可以给PERC电池片发展带来更多上升空间,至2021年预计有110GW左右的电池产能将搭载SE工艺,PERC、SE高效太阳能电池工艺对应的激光加工设备市场容量合计超过38亿元。再加上MWT、LID/R、半片、叠瓦、扩硼等高效太阳能电池工艺,高效太阳能电池激光加工设备的市场总量有望超过58亿元。

几十亿元市场,谁将受益?光伏激光设备龙头企业如专注于此领域的帝尔激光,具备领先优势,通过技术研发满足下游客户需求,将直接受益于光伏行业的发展。

参考来源:

帝尔激光招股书、各公司官网、长江证券、通威集团

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