2022年TOPCon电池行业发展现状和前景分析

1、2022年TOPCon电池行业发展现状和前景分析1、TOPCon电池技术产业化有望加速TOPCon 电池技术，即隧穿氧化层钝化接触技术。由于 PERC 电池金属电极仍与硅 衬底直接接触，金属与半导体的接触界面由于功函数失配会产生能带弯曲，并产生大量的 少子复合中心，对太阳电池的效率产生负面影响。因此，有学者提出电池设计方案中用薄 膜将金属与硅衬底隔离的方案减少少子复合，在电池背面制备一层超薄氧化硅，然后再沉 积一层掺杂硅薄层，二者共同形成了钝化接触结构。超薄氧化层可以使多子电子隧穿进入 多晶硅层同时阻挡少子空穴复合，进而电子在多晶硅层横向传输被金属收集，极大地降低 金属接触复合电流，提升了电池

2、的开路电压和短路电流，从而提升电池转化效率。优异的表面选择性钝化能力提升 TOPCon 电池转换效率。技术 TOPCon 电池基于载 流子选择性收集钝化接触结构，通过在电池背面制备由隧穿氧化硅层和重掺杂硅薄膜层组 成的叠层来形成。由于超薄氧化硅和重掺杂硅薄膜良好的钝化效果使得硅片表面能带产生 弯曲，从而形成场钝化效果，电子隧穿的几率大幅增加，接触电阻下降。由于优异的载流 子选择性钝化接触性能，从而使得 TOPCon 技术制备的晶硅电池效率已达到 26%。电池转换效率极限较高，量产提速空间更大。TOPCon 的发展历史其实并不长，由德 国 Fraunhofer 研究所的 Frank Feldma

3、nn 博士在 2013 年于 28th EU-PVSEC 首次提出 TOPCon 的电池概念，目前还保持着 TOPCCon 电池 25.8%的最高实验效率记录。此后， 经过一系列科研院所的积极研发推进技术工艺的逐步成熟和理论转换效率提升，根据 ISFH 数据，TOPCon 电池的极限理论效率达到 28.7%，高于 HJT 的 27.5%和 PERC 的 24.5%。 而目前晶硅电池产业化平均效率低于实验室效率 2 个百分点左右，TOPCon 电池产业化效 率有更高的提升空间。截至 2020 年底，N 型 TOPCon 电池平均转换效率达到 23.5%。TOPCon 兼容 PERC 产线设备，是

4、未来 2-3 年最具性价比的技术路线。TOPCon 技 术相比于 PERC 的优势在于 Voc 提升 20mV，且只需要 2-3 道额外工艺和设备。国内 PERC 产线主要从 2018 年开始建设，新建产线大多预留了 TOPCon 改造空间，而未来的扩产计 划也纷纷转向 N 型技术产线建设。面对目前巨大的 PERC 电池产能，TOPCon 和 PERC 电池技术和产线设备兼容性较强，以 PERC 产线现有设备改造为主，主要新增设备在非晶 硅沉积的 LPCVD/PECVD 设备以及镀膜设备环节。目前 PERC 电池产线单 GW 投资在 1.5-2.0 亿元，而仅需 0.5-0.8 亿元即可改造升

5、级为 TOPCon 产线。在面临大规模 PERC 产线设备资产折旧计提压力下，改造为 TOPCon 拉长设备使用周期，降低沉没风险，是未 来 2-3 年极具性价比的路线选择。2、多技术路线并行，寻找工艺最优解在 PERC 基础上，TOPCon 需增加界面氧化硅生长和本多晶硅层沉积。钝化接触原 理是为了实现全背面金属接触，需要增加三步工艺：界面氧化硅生长和本征多晶硅层沉积， 以及多晶硅的掺杂。从产线改造难度看，从 PERC 到 TOPCon 产线增加几道工序：1） TOPCon 先增加了高温的硼扩散工艺，通过硼磷管式扩散炉制备 P 型发射结和 N 型背面， 也可以通过离子注入方式实现硼扩散，再通

6、过 PECVD 技术在正反表面制备钝化层和减反 射膜；2）此后需要增加隧穿氧化制结、离子注入及退火清洗工艺，超薄氧化层可以使多 子电子隧穿进入多晶硅层同时阻挡少子空穴复合，进而电子在多晶硅层横向传输被金属收 集，从而提升电池转化效率。 表 2：TOPCon 与 PERC 电池技术工艺TOPCon 多技术路线并进，LPCVD 是目前主流工艺。TOPCon 制造有三个核心工艺， 包括界面氧化物生长、本征多晶硅沉积及多晶硅掺杂。从技术路线上来看，目前主要包括 LPCVD、PECVD、APCVD、ALD、PVD 等作为制作流程的核心设备。其中 LPCVD 是目前的主流技术，但存在过度绕镀问题，目前 T

7、OPCon 主要任务是简化工艺降本提效，因此 其他技术主要围绕减少过度绕镀问题展开。（1）LPCVD 技术路线：全称为低压化学气相沉积法。由梅耶博格研发的热处理工艺， 在真空条件下用气相前驱体进行薄膜沉积，通过降低压力减少不必要的气相反应，使得硅 片的薄膜均匀性提高。该技术优点是工艺成熟、集成度高，成膜质量好，装备产能大，控 制简单容易；但难于镀膜速度慢，成膜率低，同时存在二次掺杂、绕镀、石英件沉积严重 等问题。LPCVD 技术是各技术路线中被最广为接受，也是唯一规模商业化的技术。1） 方法一：本征+扩磷。LPCVD 制备多晶硅膜结合传统的全扩散工艺。此工艺成熟 且耗时短，120min 生成

8、120-150nm 的非晶硅层，大概 15nm/min，良率较高， 生产效率高，已实现规模化量产，但绕镀和成膜速度慢是目前最大的问题。该技 术为目前 TOPCon 厂商布局的主流路线，主要是晶科能源和天合光能；2） 方法二：直接掺杂。LPCVD 制备多晶硅膜结合扩硼及离子注入磷工艺。离子注入 技术是单面工艺，掺杂离子无需绕度，但扩硼工艺要比扩磷工艺难度大，成膜时 间 240min 左右，是本征的 2 倍，需要更多的扩散炉和两倍的 LPCVD 导致投资 成本高，沉积完之后进行退火激活，与本征相比良率差一些，转化效率要高一些， 主要是隆基股份布局。各厂商 LPCVD 综合指标对比：1）从技术工艺角

9、度对比看，拉普拉斯和 Centrothem 均能实现本征附着+原位掺杂，主要是垂直化的硅片加工方向，对于过度绕镀问题解决办 法是水平方向加工硅片，捷佳伟创的镀膜均匀性控制相对较好；2）从产能角度对比看， 拉普拉斯应该是产能最大达到 8000 片/小时，Centrothem 和 SEMCO 次之，单管产晶片 数量优于其他厂商；3）从商业化角度看，LPCVD 工艺相对较成熟，目前均可商业化应用， Centrothem 已经完成终端测试，拉普拉斯在国内商业化方面较为领先。（2）PECVD 技术路线：全称为等离子体增强化学气相沉积法。PECVD 技术是在低 气压下，反应气体从进气口进入炉腔，逐渐扩散至

10、样品表面，在射频源激发的电场作用下， 反应气体分解成电子、离子和活性基团。生成物以化学键的形式吸附到样品表面，生成固 态膜的晶核，继续生长成为连续的薄膜。用 PECVD 制备掺杂硅层，先沉积 N 型非晶硅层 或 N 型微晶硅层，再进行后续的高温退火使薄膜晶化。非晶硅薄膜的优势是界面质量好， 但会存在爆膜现象；而微晶硅薄膜的优势是在晶化后获得一个较好的晶体质量和晶化率， 退火后不产生爆膜现象，但界面质量较差。PECVD 技术可实现明显降本，工艺仍需进一步成熟。该方法沉积速度快，可实现原 位掺杂，可避免过度绕度，无石英管耗材，可制备原位硼掺杂，简化很多流程，实现大幅 降本。但仍存在气体爆膜现象导致

11、良率偏低，稳定性有待进一步观察，因此产业化进程较 慢。根据沉积腔室等离子源与样品的关系、以及腔室的不同又可细分为微波 PECVD、管 式 PECVD 和板式 PECVD，其代表厂商分别为梅耶格尔、捷佳伟创、理想能源和金辰股 份。微波 PECVD 沉积速率高达 100A/s，但目前沉积的氧化硅膜较厚，且维护成本比较 高。管式 PECVD 和板式 PECVD 同样可以实现原位掺杂和无绕镀，但也存在含氢、维护 成本高等问题。各厂商 PECVD 对比：1）捷佳伟创，公司目前具备 TOPCon 电池生产的“三合一” 设备，产能是 5600 片/小时，同一批次的成膜均匀性偏差率 5%，并向“四合一”设备研

12、 发量产迈进； 2）金辰股份，2019 年开始研发 TOPCon 的管式 PECVD 设备，并且已经 在国内客户晶澳科技、东方日升等客户端验证。根据金辰股份披露数据，该设备生产的 TOPCon 电池平均量产效率 24%+，最高达到 24.5%。目前还在研发“二合一”设备同时 完成原位掺杂多晶硅层和隧穿氧化层；3）海外设备厂商，Centrotherm 研发的直接等离子 法 PECVD 设备，能够实现较高成膜均匀性，12nm/min 的高沉积速率，此外 SEMCO 也 在积极布局 TOPCon 的 PECVD 技术研发。（3）PVD，全称为等离子氧化及等离子辅助原位掺杂技术，是一种物理气相沉积法。

13、 该技术路线由江苏杰太光电提出，主要将 PVD 和等离子体氧化整合到一个设备平台上， 目前能够完成 TOPCon 电池生产的所有步骤。对比 LPCVD 技术，PVD 存在以下几个优 势：PVD 工艺步骤明显减少，能耗要远低于 CVD 设备；PVD 不涉及石英器件，运 维成本相对较低；PVD 是单面工艺，能实现原位掺杂，不会出现绕镀问题，节约成本；PVD 在耗材方面具备优势，LPCVD 用硅烷做前驱体，PVD 用更便宜的硅基靶材；解决了厚度可控性，大面积均匀性和重复性等关键技术。但目前技术仍不够成熟，均匀性 相对较差，退火温度相对较高，需要较高的资本支出和较大的占地面积。（4）PEALD，等离子

14、增强原子层沉积。微导发布的沉积设备，PEALD 是结合了 ALD 和等离子体辅助沉积方法优势的混合技术。它不仅具有 PECVD 优势，还具有更好的隧穿 氧化物性能，能带来更高钝化质量，绕镀1mm，杂质含量低，氧源为氧气更具安全性。 该技术支持每小时 4000 个硅片的生产能力，能生产出高度均匀的薄膜，偏差为 3%。此系 统是一套双面沉积系统，可在正面沉积氮化硅薄膜，背面沉积氧化铝和氮化硅，也可单面 使用，产量翻倍。（5）APCVD，即常压化学气相淀积。德国 Schmid 是唯一一家布局 APCVD 技术的 企业。这是指在大气压下进行的一种化学气相淀积的方法，化学气相淀积最初所采用的方 法，AP

15、CVD 技术存在时间长，为 TOPCON 生产提供了简单、高产量的方案。可以在单系 统中串联使用多个喷射头，量产高达每小时 4000 片。这种工艺所需的系统简单，反应速 度快，原位掺杂不会存在绕镀问题，隧穿氧化物要在外部进行，均匀性较差，台阶覆盖能 力差，所以一般用于厚的介质淀积。图：PAPCVD 系统图LPCVD 产业化进展领先，PECVD 和 ALD 设备技术优势更明显。对比而言，因工艺 成熟度高，隧穿氧化层在相同腔体中生长等优点，判断 LPCVD 在 TOPCon 产业化初期使 用最广泛，但因为过度绕镀问题，使得设备冗余度高，投资额度大。因此，设备厂商致力 于研发并产业化不存在过度绕镀问

16、题的技术，比如多数设备厂商选择 PECVD 的技术路线 去攻克，主要是解决了 LPCVD 的一些局限性，从而提升沉积镀膜的均匀性，并减少投资 成本和运营维护。此外，如 PVD 技术路线是单面沉积，高产量且避免使用石英制品而降 低成本，但目前产业化进展相对偏慢。市场上关于 PEALD 主要来自于江苏微导，按照目 前进展具备产业化的能力。3、TOPCon电池量产带动设备和材料需求3.1、TOPCon 量产提速，龙头厂商更具技术优势量产效率提升明显，2021 年产业化发展提速。目前 TOPCon 电池技术大幅降低了背 表面场复合速率和背面金属接触复合，使得电池具备超 700mV 的高开路电压，目前

17、ISFH 在实验室的最高效率已经达到 26.1%。从目前 TOPCon 量产的情况看，平均量产效率主要 在 24%左右，最高效率达到 24.5%-25%，具备大规模产业化达到 25%的效率潜力。而随 着工艺简化、设备成熟度提升及设备价格下降，TOPCon 在未来 2-3 年的竞争力越来越明 显，这也是其大规模产业化的前提。TOPCon 量产开始提速，龙头厂商更具技术优势。龙头组件厂商开始布局规模化 的 TOPCon 量产线，根据 TrendForce 最新数据统计，目前全球已经投建的 TOPCon 电池 产能 8.75GW。根据个公司公告统计，目前隆基股份、通威股份、天合光能、中来股份等 在内

18、的主流电池厂商，2021 年规划新投 TOPCon 产能已经达到 86.5GW。此外 TOPCon 技术可以最大程度兼容 PERC 产线，生产难度远低于其他 N 型技术路线，行业内超 200GW 的 PERC 产线中，至少有一半的产能可以升级为 TOPCon，随着 PERC 扩产接近停滞， 我们预计 22-23 年 TOPCon 电池产能分别为 35/70GW。龙头厂商纷纷布局 TOPCon 产品。根据各公司公告最新的数据统计看，包括隆基、 英利、中来、天合等十余家企业布局并展示了其在 TOPCon 领域的核心产品。从最新的调 研情况看，由于与 PERC 设备产线的兼容性问题，TOPCon 更

19、受到龙头厂商的青睐，多家 企业将 TOPCon 应用到大尺寸的产品中，转换效率在 21.7%24%之间，平均效率 22.6%， 基本接近。预计 2021 年 TOPCon 电池产业化将进一步加速。3.2、增效降本加速量产，进一步打开设备市场空间三方面有助于 TOPCon 电池进一步降本。从 TOPCon 电池成本构成中来看，硅片、 银浆及折旧成本分别占比 63%、16%及 4%。目前 TOPCon 的成本高于 PERC 电池 25%-30%，成本下降有赖于以上三方面：1）硅片大尺寸和薄片化方向有助于硅片成本持 续下降。TOPCon 电池硅片从 166mm 向 182mm 和 210mm 发展，

20、尺寸厚度从目前的 165 m 持续减薄；2）银浆替代和用量下降推动成本下降。目前用量 100-120mg/片，预计未 来背面用银铝浆替代会推动成本下降；3）目前 TOPCon 电池单 GW 设备投资额降至 2 亿 元以内，预计未来技术发展会带动设备价格及折旧成本下降。产业化进程加速，设备厂商受益明显。从 TOPCon 电池成本构成中来看，硅片、银浆 及折旧成本分别占比 63%、16%及 4%，目前 TOPCon 的成本高于 PERC 电池 25%-30%。 目前的 TOPCon 电池技术方案并未完全定型，未来工艺流程进一步简化，并且随着设备技 术成熟提升良率，银浆用量和替代带来成本降低，TOP

21、Con 电池成本和市场竞争力将具备 明显优势。根据 ITRPV 预测数据，到 2025 年，TOPCon 产能占比进一步提升至 30%。 2019 年开始新扩建的 PERC 产线都有兼容 TOPCon 升级空间，随着 TOPCon 产业化加 速，新增产能和存量设备更新打开市场空间，龙头设备厂商将明显受益。预计 2025 年 TOPCon 设备投资达 122 亿元，未来五年合计超 400 亿元。目前时点， TOPCon 相较于 PERC，已经具备明显的发电效率提升（1.5%-2.0%），预计未来一年的 成本优势也将显现。按照国内外电池厂商投资规划，预计 2022 年开始，TOPCon 有望进 入

22、产能爆发期，TOPCon 产能主要来自于新增投产和 PERC 产线改造，随着设备国产化、 材料与工艺成熟度提升，假设单 GW 的设备投资额如下图，预计 2025 年 TOPCon 设备投 资额达到 122 亿元，未来五年设备累积投资额超 400 亿元。TOPCon 产能扩张，核心设备需求放量利好龙头企业。全球光伏装机量持续增长， TOPCon 技术路线具备高效率和低成本的性价比，并且能承接原有 PERC 产线改造升级， TOPCon 电池厂商加速扩产，产业链利好刺激持续催化，重点推荐相关设备龙头厂商。领先布局 TOPCon 核心设备，推荐具备成熟量产工艺的设备厂商捷佳伟创、金辰股份，建 议关注

23、连城数控（参股拉普拉斯、控股艾华）及北京科锐；电池激光设备龙头，布局 TOPCon 赛道激光设备，单 GW 价值量提升的帝尔激光；受益装机需求高确定性，N 型技术迭代加速利好串焊机龙头奥特维。光伏产能规模持续扩张，银浆耗量价值提升明显。根据中国光伏行业协会的数据， 2020 年全球银浆总耗量达 2990 吨，其中正面银浆耗量 2137 吨、背面银浆耗量 853 吨； 2020 年中国光伏银浆总耗量达到 2467 吨，占全球需求总量的比例达 82.5%，2016-2020 年 4 年 CGRA 约为 11.7%，其中正面银浆耗量 1763 吨、背面银浆耗量 704 吨，正面银浆 需求约占所有光伏银浆需求的 75%。图：2020 年全球及我国正银消耗量占总银浆消耗量 71.5%TOPCon 扩产持续推进，银浆低耗量和国产化进程加速。导电银浆属于电子材料行业 中工艺与辅助材料，具有导电性强、稳定性高、固化温度低等性能。银浆可分为正面和背 面银浆，正面银浆主要起到汇集、导出光生载流子的作用、常用于 P 型电池受光面及 N 型 电池双面；背面银浆主要起到粘连作用、对导电能力要求相对低、常用于 P 型电池背光面。 对