半岛彩票:光伏设备一级市场系列研究：降本增效目标下的技术迭代

　　根据《国务院关于印发2030年前碳达峰行动方案的通知》，到2030年我国非化石能源消费比重将达到25%左右，单位国内生产总值二氧化碳排放将比2025年下降65%，顺利实现2030年前碳达峰的目标。把“碳中和”、“碳达峰”列入国家计划目标中意味着一个以不可再生化石能源为主的发展时始结束，一个向可持续性清洁能源过渡的时代来临。

　　在“碳中和”目标下，光伏发电作为一种主流的替代能源形式大受推广。据统计，截至2021年底，全球累计光伏装机规模940GW，2022年新增装机超过210GW，同比增速30.4%；中国2022年光伏新增装机87.41GW，同比增长60.3%；预计到2025年全球光伏装机量将达到385GW，累计将为电池片及组件设备带来2300亿元人民币市场空间。依托光伏产业发展“降本增效”目标的引领，高鹄资本通过深入的产业链周期性因素分析，放眼主流技术路线设备革新与新兴光伏技术路线设备增量机会，将系统性地拆解光伏各个技术路线电池片到组件主制程设备，提出创业公司核心壁垒与关键指标的判断标准。希望与行业内的投资人、企业家们共同交流与探讨。

　　我们可以从原子的构成来理解电池片光电转换效率存在极限的原理。原子由原子核和核外电子构成。其中，原子核由电中性的中子和带正电荷的质子构成（只有普通氢原子，没有中子），位于原子的正中心，被核外电子包围。围绕原子核可供电子运动的轨道是被称为“壳”的能量级，最外层的壳被称为“价壳”，原子的价壳代表一个能级带。带正电的原子核对能量位于价带能级的电子具有束缚力，被限制在价带中的电子被命名为“价电子”，当价电子从外部获得足够大的能量时，便可以脱离束缚从价带进入到导带，价带和导带之间的能量差被称为“带隙”，也即 “禁带宽度”。

　　不同材料的带隙大小决定了其导电性。对于绝缘体来说，其价带和导带之间的带隙特别大，电子几乎不可能获取足够的能量从价带跃迁到导带；半导体的带隙相对更小，价电子如果接受外部能量，就可以从价带跃迁到导带中；导体的价带和导带则几乎是重合的，因此没有带隙，这意味着电子可以自由移动到导带中。

　　1839年法国的贝克莱尔发现半导体和电解质接触形成的结，在光照下会产生电压。这就是人们熟知的光生伏特效应——半导体中位于价带的电子吸收了光子的能量，跃迁到导带，并在内建电场的作用下定向移动形成电流的过程。

　　在理想的半导体中，只有能量高于带隙宽度的光子才能通过促进电子从价带到导带而被吸收，并在价带中留下一个空洞。吸收光谱的起始处于带隙能量处。对于不同带隙的半导体材料来说，带隙越窄，电子从价带跃迁到导带所需要的能量就越低，就会有更多的太阳光子被吸收进行能量转换，将形成更多的自由电子和空穴，即电池中的载流子，会有更大的电流。但由于开路电压与带隙成正比，带隙越窄开路电压越小；反之，当带隙加宽时，由于对光子的吸收变弱，电流变小，相应的开路电压变大。因此，我们在调整带隙以达到最高效率时，在尽可能多捕获光子和在最大化提取电荷能量之间存在折中，也就意味着不同带隙半导体的光电转换效率存在极限。1961年William Shockley和Hans Queisser两位科学家首次通过检查每个入射光子提取的点能量来计算出不同带隙半导体的极限转换效率（S-Q极限理论）。但这项工作只做出了最乐观和基本的假设，后人对于S-Q极限理论最大效率进行了修正，例如晶硅所在带隙的极限转换效率为29.4%。

　　从过往情况来看，每隔5年左右，就会有新的技术路线在低成本、规模化工艺手段下验证实现，通过增强电池片对光的吸收利用率和增加少数载流子的寿命，从而不断逼近S-Q极限理论值，降低度电成本，从而实现全行业的降本增效。

　　第一代光伏电池片技术路线是铝背场电池（AL-BSF）是指在晶硅太阳能电池P-N结制备完成后，再沉积一层铝膜从而减少少数载流子复合的概率，增大载流子寿命，提升转换效率。

　　第二代电池片技术路线——PERC技术是在铝背场电池的基础上增加背面的介质钝化层，既可以通过内反射增加光吸收的几率同时也可以降低少数载流子的复合速度，从而提高少子的寿命。

　　下一代高效电池片技术路线潜在方向之一的TOPCon（隧穿氧化层）技术是将衬底硅片从P型换为了少子寿命更高的N型，且通过增加隧穿氧化层进一步降低载流子界面复合的概率，增加载流子寿命。另一方向HJT（异质结）技术则是通过双面对称的结构增大双面率，提升光的吸收，并通过更低的接触阻抗促进载流子的有效运输，降低载流子的复合速率。

　　面向未来，学界与产业界还提出了叠层电池的概念，利用各吸光层的带隙对应的吸收光波长度的差异，层层过滤吸收，实现最大化的吸光效率。正是有了叠层电池概念的加持，一级市场对于异质结为代表的可做叠层新技术的关注度极高，市场普遍认为技术的相容性决定了其具有更大的发展潜力。

　　随着电池片技术的迭代，后进者因其没有落后的产能布局掣肘，能够很快凭借着新的工艺和设备生产出下一代更高效且度电成本低的产品。而拥有落后技术的龙头公司会纠结于已有的巨量沉默成本和新技术所需要的研发及产能投入，左右为难。若工艺上革新改良所带来的转换效率的增益不能够弥补新老技术的差距，这些公司往往就会将目光放在从硅料、非硅材料到设备端的降本问题上，以期待自身的成本优势大于新技术转换效率提升带来的可接受溢价，从而赢得部分市场空间。

　　通过对行业的分析，我们发现通威之所以能成为行业头部，正如硅片从多晶到单晶的转变给了隆基绿能机会一样，是抓住了单晶替代多晶的机遇。从水产饲料跨界而来进入光伏领域，不仅没有落后产业的产能掣肘，更是在后续PERC技术革新潮流中瞄准时机，在2018年就大规模扩产PERC电池产量，一举成为了行业的领先者。

　　一般而言，在新技术对老技术的优势对比初现且得到产业端小规模量产可行性论证后，从电池片厂到设备端都会出现短暂的一级市场机会。

　　根据光伏电池片衬底硅片的类型，可以将电池片分为P型电池片和N型电池片。常规的P型电池片主要包括我们熟悉的BSF（铝背场电池）和PERC（钝化发射极和背面电池）两种技术类型；而N型电池片目前的主流技术主要有TOPCon（隧穿氧化层）和HJT（异质结）两大细分路线。

　　根据光电转换效率公式，光电转换效率的提升需要高的填充因子（FF）、开路电压（Voc）和短路电流密度（Jsc），如何用低成本的规模化工艺手段、减少电池载流子的复合从而实现较高的填充因子、开路电压和短路电流密度是效率提升和度电成本降低的关键。

　　在相同金属杂质污染的情况下，N型电池片表面的复合速率低，少数载流子寿命比P型硅片高至少一个数量级，能够提供更高的电池开路电压从而提升转换效率。

　　N型电池片硼的含量极低，从根本上削弱了硼氧原子对对于光致衰减的增益，使得N型电池片的光致衰减效应接近于零。

　　N型电池片工作温度低、红外透过率高、电流通道多，其随着温度的上升，输出功率下降仅为P型的一半。

　　从现有的产能布局来看，TOPCon技术路线由于其极大程度保留了传统P型PERC电池设备制程，只需要新增部分多晶硅/非晶硅薄膜沉积设备（LPCVD、PECVD、PEALD）就能够实现产线技术升级。这一定程度上延长了传统P型电池玩家设备与前期研发投入的生命周期，多被老牌光伏电池玩家青睐。而HJT技术由于其作为工艺简单、转换效率更高、更适应多种光伏电池片降本路线的性技术，其产线与传统PERC设备完全不兼容，如果选择布局这一技术，设备工艺需要重新研发、建设，投资成本极高。所以HJT的产能扩张大多由新进玩家主导，这也带来了新设备新材料的一级市场机会。

　　从制程上看，TopCon电池与传统PERC电池的区别是首先在电池背面制备一层1-2nm的隧穿氧化层，然后再沉积一层掺杂多晶硅，二者共同形成了钝化接触结构，为硅片的背面提供了良好的界面钝化。其利用隧穿效应让电子顺利通过，阻碍空穴与电子的复合以提高转换效率，且高掺杂硅膜的选择性接触也避免了背面氧化物钝化层的激光开槽步骤，一定程度上降低了制造成本。

　　从设备端来看，核心的三大工序为隧穿氧化层制备、掺杂多晶硅层制备和扩散，这三个步骤所需的相关镀膜、扩散设备占总线%。目前的主流工艺主要有LPCVD本征掺杂+磷扩、PECVD原位掺杂与PVD原位掺杂三种，但各自都受限于一些工艺缺陷，从而会影响量产良率与产品的光电转换效率，由此衍生出两条一级市场的投资逻辑：

　　重点关注能够帮助提高成膜质量的重点零部件或是通过卡脖子零部件国产化带来的降本机会，例如传统镀膜设备中的射频电源、真空泵、真空阀等真空系统、碳基载板、匀气结构零部件、气体精密仪表等。

　　新型或半导体领域迁移到光伏领域的新型CVD技术颠覆性替代传统制程技术路线的机会，例如：热丝CVD技术。

　　HJT电池制程是在N型晶体硅片正反两面依次沉积厚度为5~10nm的本征和掺杂非晶硅薄膜以及透明导电氧化物TCO薄膜，从上到下依次形成了TCO-N-i-N-i-P-TCO的对称结构。目前HJT已经被广泛验证的优势有高开路电压、低功率衰减、双面发电率高、工艺流程短、可结合下一代光伏电池片技术突破S-Q极限，具备高转换效率的提升空间。

　　尽管在光电转换效率和寿命方面有着诸多优势，但HJT还是绕不开限制光伏电池片技术路线大规模应用的第二道关卡——成本。当前HJT电池片成本在1.2元-1.4元/瓦，与传统的PERC电池和N型TOPCon电池相比，有一定溢价，其光电转换效率与成本的勾稽关系也使得部分光伏电站出于经济性考虑而较为谨慎。HJT电池的成本主要由硅片、浆料、靶材、设备折旧构成。目前HJT的非硅成本占比约为47%，相比于PERC电池的40%仍有一定的下降空间，因此从工艺到材料国产化采取适当的降本路径以降低硅耗成本、低温银浆成本、设备降本、靶材国产化降本实现，由此带来了广阔的一级市场投资机会。

　　而降低银浆耗量的方法将主要从印刷技术、浆料中银含量降低和主栅变细等三个路径出发。后续系列文章将会从底层原理出发，将对银耗量降本带来的丝网印刷、激光转印、电镀铜等新兴技术带来的一级市场设备投资机会进行进一步拆解。

　　设备端限制HJT降本的关键在于非晶硅薄膜沉积设备板式PECVD，为了实现更精密的膜厚控制，需要对PECVD设备的电场均匀性、气场均匀性和温度场均匀性有更精密得控制，其成本价格单台在4000-5000万，是TOPCon所使用的管式PECVD的单台价格的近10倍。针对如此高昂的设备成本，产业端也在积极采取各项措施降本，对于一级市场而言，投资机会在于PECVD关键零部件国产化降本与新型CVD技术在单双面微晶和生产效率的颠覆性替代突破。

　　正如前文中引入的“带隙”概念用于划分导体、半导体与绝缘体，根据半导体中电子从夹带跃迁到导带的路径不同，可以将半导体分为直接带隙半导体和间接带隙半导体。其中，直接带隙半导体中电子的跃迁方式为竖直跃迁，间接带隙半导体中电子的跃迁方式为非竖直跃迁。竖直跃迁是指半导体中导带的最小值和价带的最大值在k空间处于同一位置，电子要跃迁到导带上只需要吸收光子能量这一个过程，而非竖直跃迁是指电子吸收光子的同时伴随着吸收或发出一个声子引起晶格内部的震动。从跃迁概率上讲，由于非竖直跃迁中电子跃迁既需要能量又需要动量，所以电子从价带跃迁到导带的可能性大大降低；而竖直跃迁的电子没有对电子密度和可利用的声子数量的要求只要吸收到光子就会非常容易地完成跃迁过程。但是由于跃迁的过程相对容易，直接带隙半导体的载流子只要一相遇就会发生复合，其载流子寿命会比间接带隙半导体更短。

　　科学家通过实验观测不同材料的能带结构及导带和价带在k空间的相对位置来发现直接带隙半导体和间接带隙半导体。常见的间接带隙半导体多为单质晶体，例如晶硅电池中使用的多晶硅（Si）和锗晶体（Ge）；而现在发现的直接带隙半导体多为化合物，且已在薄膜电池中得到应用，例如：GaAs（砷化镓）、CdTe（碲化镉）。

　　从1976年初代薄膜电池诞生以来，曾在1980-1988年和2004-2009年两段时间内占据绝对的竞争优势；2010年后，随着晶硅电池在成本下降和效率提升两方面的突破，晶硅电池逐渐成为光伏组件市场的主流。

　　薄膜太阳能电池主要包括硅基薄膜、铜铟镓硒（CIGS）、碲化镉（CdTe）、砷化镓（GaAs）、钙钛矿及有机薄膜电池等。相比于晶硅类太阳能电池，薄膜电池具有温度系数高、弱光性能极佳、组件重量偏低、热斑效应弱这四大优势。

　　从1976年初代薄膜电池诞生以来，已经发展出包括碲化镉、铜铟镓硒（CIGS）、非晶硅（a-Si）等多种已实现商业化量产的技术路线，但也存在着制备过程复杂、贵金属成本居高不下、转换效率提升慢、环保性问题。

　　人工合成钙钛矿在2000年代中期开始被用作太阳能电池进行研究，近10年来，在0.3m*0.3m面积的实验室转换效率已经从2%提高到了29%，实现了晶硅电池花费数十年时间尚未达到的实验室规模效率；不仅如此，相比于其他薄膜电池技术路线，钙钛矿电池还避开了原材料成本和环保性的压力，最有可能成为推动薄膜电池发展的新动力。

　　钙钛矿电池自实验室诞生到产业化导入面临的较大的两个挑战在于大面积制备的均匀性和良品率的问题：传统的溶液旋涂法和两步顺序法均不利于高效率的大面积制备。从产业端验证来看，基于路易斯酸碱加合物反应的湿法狭缝涂布有着材料浪费率低、薄膜精度控制好、可以卷对卷、印刷速度快、量产效率高且易于大面积制备等诸多优势，已经成为钙钛矿制程中钙钛矿层制备较为确定的工艺。然而，钙钛矿所应用的湿法狭缝涂布工艺对狭缝涂布机的设备精度要求极高，传统的锂电狭缝涂布机并不能够满足钙钛矿层制备的应用需求，因此钙钛矿夹缝涂布机领域将有较大的一级市场机会，其中，上海德沪涂膜为绝对的头部公司。此外，高精度狭缝涂布机的技术延展性极强，未来可广泛应用在锂电、液晶显示、半导体先进封装等领域。

　　钙钛矿电池的制备要在透明电极、电子传输层、背电极制备完成后各加一道激光划线工序，并在最后增加一道激光刻蚀清边步骤。

　　但钙钛矿电池作为一种新型薄膜电池，其薄膜加工的激光工艺不仅关系到电池的损伤缺陷以及被切面的平整光滑程度，也会影响着电池的效率和寿命。因此，精密激光设备和精密激光器在钙钛矿电池设备制程中具有很高的重要性。钙钛矿薄膜的厚度及材料脆硬程度均要求激光设备具备高超的精细微加工能力，对于脉冲激光器而言，一般要求脉冲宽度在纳秒级以上，即包括纳秒激光器和皮秒飞秒超快激光器。

　　相比于其他类型光伏电池，钙钛矿电池生产线对激光设备的需求量明显增加，根据产业内专业人士数据，P1-P4激光刻蚀设备将占整线设备的投资价值量占比的20%，有着广阔市场空间。

　　总的来说，伴随着光伏大行业“降本”与“增效”的两个主旋律，光伏行业整体呈现较强的技术迭代周期，当新技术出现时，会有一级市场投资的短暂机会。然而，并非所有人都能在识别机遇后准确抓住，这种机会的“高门槛”主要体现在以下三方面：

　　技术工艺门槛高：光伏是技术密集型行业，从实验线、中试线到量产爬坡中间存在着大量的技术和工艺调试knowhow，如果没有人员、技术等方面的充分准备，贸然跨界投资的风险很大。

　　管理运营门槛高：中国光伏行业中头部竞争相当激烈，对于管理运营的要求很高，没有长久制造业经验的企业很难在与产业巨头的竞争中发展壮大。

　　不仅如此，即使是掌握了突破性核心技术的新入者，其技术要点也会逐步通过上下游工艺的合作开发调试、研发人员的流动等进行扩散。进入2023年的光伏行业依旧呈现出疯狂内卷、博弈不断的混沌局势。当旧格局还未被打破，非常考验新势力的综合素质和在下一个关键技术迭代节点中的行动速度。对此，高鹄对该赛道提出以下投资建议：

　　真空镀膜设备零部件：随着管式PECVD设备的进一步发展，致力于PECVD核心零部件包括射频电源、真空泵及真空阀组成的真空系统、MFC气体流量计等国产化的企业值得关注。

　　热丝CVD：热丝CVD技术对每个膜层的沉积均无“绕镀”、“绕扩”的问题，且相比于PECVD镀膜，其成膜速度快、产能大、设备价格低，可用于TOPCon电池制程中扩硼、氧化硅层及原位掺杂poly硅层。具备热丝CVD自研技术专利及率先导入产线的设备企业值得关注。

　　重点关注能够配合硅料、银浆、靶材降本技术路线的相关设备机会，包括高精度激光转印设备、适用于薄硅片的自动化串焊机、电镀铜设备及材料及新型非接触式硅片传输与抓取的自动化设备机会。

　　高精度狭缝涂布机整机：目前钙钛矿电池材料体系及结构尚存在一定的不确定性，但关键吸光层的制备工艺已经基本确定为湿法狭缝涂布。钙钛矿电池对狭缝涂布机的精密度要求较高、大尺寸制备成均匀膜的难度大，整体技术壁垒极高。国产高精度狭缝涂布机龙头德沪涂膜值得关注。

　　精密激光划线设备：相比于其他类型的光伏电池， 钙钛矿产线对激光设备的需求量明显增加，能够提供稳定性强、自动化水平高、对脆硬材料切割质量有保障的皮秒及飞秒级别的超快激光设备企业值得关注。

　　狭缝涂布机关键零部件：涂布模头、大容量供液泵以及运动控制系统是影响狭缝涂布机的涂布精度和成膜质量的关键零部件，且在大尺寸、高精度领域的国产化程度极低，能够自主设计研发且经过整机厂应用验证的狭缝涂布机零部件企业值得关注。

　　回望过去十年，伴随着发展初期的政策扶持与后续技术迭代，我国光伏产业在曲折中发展，持续加码的过程中不断扩大产能，实现了明显的规模效应，且多次打破了光伏电池及组件的最高转换效率纪录。展望未来，新入者的涌入会带来更加激烈的竞争，然而在混沌的竞争格局中存在“变化”中的“不变”，即光伏行业中持久的降本与增效的发展主旋律。高鹄资本坚定看好中国光伏厂商扶持设备、材料国产化带来的降本空间和新技术突破带来的提效空间，也将持续深耕光伏设备及新材料领域，助力光伏产业链上下游优质企业的投融资工作，为清洁能源发展贡献力量。