报告作者:罗立波 代川 王珂 对外发布时间:2019年8月26日 注:仅供广发证券客户参考,未经许可请勿转发! 核心观点 异质结电池(HJT):产业化之路还有多远? 光伏行业经历了2015-2019年的产能积累,PERC电池逐渐取代传统BSF电池占据主导,但光伏电池的高效之路并未终结,异质结(HJT)电池正在快速从实验室走向产业化阶段。相较于传统的电池,HJT电池具备几个优点:(1)采用N型硅片,少子寿命高,可以获得更高的开压,电池效率更高;(2)较低的功率温度系数,HJT比普通晶硅电池具备更高的功率;(3)高稳定性,抗PID效应,无LID效应,首年衰减率降低50%;(4)组件可以双面发电,要比单面的电站多发10-20%的电量;(5)更薄、更轻,适用于更薄的硅片。当前国内产能投放仍以试验线和小规模线为主,设备和材料成本导致HJT电池单瓦成本较高,装备国产和材料国产化是解决HJT产业化的重要路径。 HJT电池:一代新工艺及催生新设备需求,镀膜设备是最大增量 HJT电池的制备包括四大工艺环节:清洗制绒、非晶硅沉积、TCO膜制备、丝网印刷,相对于过去PERC电池的工艺步骤更加简单。但是由于其制备过程逐渐半导体化,对设备的要求更加严格。新工艺催生了新设备需求,其中70-80%价值量的设备集中在非晶硅沉积的PECVD设备和TCO膜制备的PVD(RPD)上,镀膜设备是HJT电池制备过程中弹性最大的品种。当前阶段单GW设备投资金额依然较高,但是呈现出逐渐下降的趋势。 设备国产化是HJT电池成本降本增效核心路径之一 HJT电池成本中设备折旧成本偏高,2018年底,海外设备企业的全进口设备,单GW投资金额达到了8-10亿元,是传统PERC电池的3倍左右。设备国产化是未来HJT电池降本增效非常重要的一环,国产设备主要通过两种路径降低成本:(1)降低设备单价;(2)提升设备单机产能。国产化的整线出炉后,HJT设备投资环节总金额有望下降50%左右。 投资建议 HJT电池正在从实验室走向产业化坦途,在HJT产业化过程中,装备国产化和材料国产化是重中之重。随着国产设备和材料取得突破,HJT的性价比优势会逐步显现,带来下游产能的加速迭代。国产设备在此过程中,扮演着非常重要的降本重任,会显著受益于HJT电池的产能迭代和国产化进程。我们建议关注在HJT电池核心制程段有产品布局的国产设备企业,重点关注捷佳伟创和迈为股份,同时也积极关注上游硅片制造端的设备企业晶盛机电。 风险提示:PERC电池价格下行影响下游资本开支计划;行业竞争激烈导致价格下降毛利率下降;企业HJT产品进度和品质不及预期;下游对HJT投资低于预期。 正文内容 一、异质结电池(HJT):产业化之路还有多远?
光伏行业在国内经过了10多年的发展历程,产能的迭代历史是一部生动的技术迭代史,单晶替代多晶,PERC取代AL-BSF,10年间行业风起云涌,潮起潮落。从2015年后开始,随着单晶相对于多晶的优势逐渐胜出后,P型PERC电池产能快速累积,从2015年的不到10GW,发展到2019年,累积产能有望超过100GW。当前行业最主流的技术路线和主要新增产能都以PERC为主。
2015-2019年,也是PERC产能快速迭代的阶段,整个设备链条中,单晶链条的设备公司都充分受益,以晶盛机电和捷佳伟创为例,2015年后,两家企业营业收入快速增长,每年复合增速都是在30%以上。由于光伏行业长期的“百家争鸣”,技术路线的迭代和升级长期存在,行业运行到2019年,PERC电池产能占总产能的比例达到60%以上时,市场开始酝酿新的变化。 由于成本的限制,目前能够量产的电池主要是P型电池。相较于P型而言,N型电池的好处是有极大的提升效率的潜能,但目前的主要问题是成本较高,无法实现大规模量产。但未来技术进步降低成本后,N型电池很可能接棒PERC电池的发展,成为下一个行业扩产的方向,在这样的背景下,HJT电池逐渐走入了新技术方向视野。 1.2 从实验室走向产业化,HJT逐步打破效率神话 HJT电池的高效之路。早在1985 年,美国科学家Yablonovitch 等就指出,理想的太阳电池应该具有双异质结结构,即禁带宽度较小的吸收层材料夹在两个不同掺杂类型的宽禁带材料之间,该结构易在吸收层材料中获得较大的准费米能级分裂;如果异质结界面能被很好地钝化,该结构电池将可获得较高的电压和效率。HJT电池是这种设想成功的典范。
HJT电池则很有可能成为下一次技术革新的主流。相比之下,HJT电池效率更高,双面性更好,是高效电池技术发展的未来。到目前,SiO钝化的HJT电池已经发展到第五代,效率已经达到25%以上。生产上一些光伏制造商以及设备供应商已经建立试点线,或在积极自主研发生产设备,或在研发上持续发力获得成果已经实现量产,如东方日升。 为什么HJT电池能快速产业化?相较于PERC电池而言,有那些优势?HJT电池有无可比拟的优越性: HJT电池高效、无PID(光衰效应)、LeTID:HJT电池独有的带本征薄层的异质结结构, 在p-n结成结的同时完成了单晶硅的表面钝化, 使得开路电压Voc>740mv, 提升效率。并且低缺陷化的钝化层及高导电率的金属电极大大降低了表面、界面漏电流, 同时提高了电池效率。TCO层高透电率及正面非晶硅层提高光的吸收。与此同时,异质结电池的光照稳定性好, 理论研究表明非晶硅薄膜/ 晶态硅异质结中的非晶硅薄膜没有发现光衰效应和电位诱发衰减(常规电池组件的玻璃中的电子迁移到电池片表面发生相互作用)HJT电池的温度稳定性好。
可以使用超薄硅片工艺:普通硅片厚度约为180微米,而HJT电池厚度仅为90微米,是普通硅片的一半。更薄、更轻,适用于更薄的硅片且硅片厚度薄可以节约材料成本。
1.3 异质结(HJT)产业化:高效率和低成本如何演化? HJT 电池目前的使用状况:根据中国科学院上海微系统与信息技术研究所的调查统计,目前国内外均有光伏生产商和设备制造商投产或建设HJT电池生产线,但是均以小规模为主。 相比于传统电池而言,HJT电池的优势很多,但是其产业化依然是比较缓慢的。没有形成大规模量产,主要原因有二: 早期三洋技术垄断,但国内企业已经开始技术积累。最初开发该技术的三洋拥有HJT的几项重要专利。2010年三洋被松下收购,于是松下一直垄断着HJT电池的技术。并且,HJT的生产无法通过简单地在标准电池的生产线添加生产设备来实现。它需要完全不同的生产设备制造。这一过程涉及到薄膜层的沉积,这是其高效的关键——这意味着它还需要薄膜沉积技术。但是目前在2010年核心专利到期以后,国内外有许多光伏制造厂商都在积极设立实验室,与高校合作,对HJT电池的核心技术进行更深入的研究,并且在不断推进电池的商业化和产业化,并且甚至有些已经进入量产阶段,国内钧石能源在自主研发并且整线并将在今年内投入量产。
HJT电池与PERC电池成本差异主要来源于电池片中的设备和材料成本差异。如果包括组件在内,PERC电池目前单瓦成本1.61元,其中电池环节成本0.83元/瓦,组件环节0.78元/瓦。HJT电池目前单瓦成本1.8元,其中电池环节成本1.14元/瓦,组件环节0.6元/瓦。可以看出,目前HJT电池在总成本上相比PERC并无优势,主要是因为电池片环节的单瓦成本较高。电池片中又分为硅成本和非硅成本,HJT电池硅成本0.55略低于PERC电池的0.59,主要得益于硅片薄且允许较低质量的硅片。HJT的非硅成本0.59,高于PERC的0.24,是HJT高成本的主要原因。在非硅成本中,二者主要差异又来源于设备折旧和材料成本。 设备和材料依然是当前困扰HJT电池产业化最重要的两块成本。目前浆料和设备主要以海外设备为主,价格比较昂贵,同时单机产出水平比较低。随着国产设备和国产材料对海外企业形成替代,HJT电池的电池片端的成本有望大幅度下滑,从空间上来看,国产设备相对于海外设备而言,有50-60%的下降空间,材料端也有30%左右的下降空间,未来HJT电池单瓦成本有望降低到1.5-1.6元/W左右,换言之,这个成本基本接近于当前PERC电池的单瓦成本,当二者成本接近时,HJT电池相对于PERC而言的效率优势就更加突出了。 HJT电池的降本提效仍然要从光电转换效率的三个影响因素入手,主要目标是降低材料和设备成本。通过硅片变薄、金属电极优化、TCO材料改进以及各环节核心技术的改进等方式,提升Voc, Jsc和FF。首先,使得硅片变薄,自190nm降至90nm,能够使得Voc上升,效率变高。在非晶硅薄膜沉积环节,需要与装备企业合作,推进CVD、PVD设备国有化,并进沉积膜工艺。TCO膜环节,需要同时通过与研发单位合作,推进TCO材料国有化,并改进TCO镀膜环节工艺。在金属电极化步骤中,要以国产低温银浆代替进口,使用更先进的电镀和SWCT技术,以降低成本。
HJT电池的制造过程:是以N型单晶硅片为衬底,在经过清洗制绒的硅片正面依次沉积厚度为510 nm 的本征非晶硅薄膜、P 型非晶薄膜(简称a-Si:H(p),或p-a-Si:H),从而形成p-n异质结,在硅片背面依次沉积厚度为510 nm的i-a-Si:H 薄膜、n 型非晶硅薄膜(简称a-Si:H(n),或n-a-Si:H)形成背表面场;在掺杂a-Si:H 薄膜的两侧,再沉积透明导电氧化物薄膜(TCO),最后通过丝网印刷技术在两侧的顶层形成金属电极并烧结(< 250◦C) 。
(一)湿法工艺流程:制绒清洗工艺之争——RCA清洗VS.臭氧清洗
(二)非晶硅沉积:HJT电池的核心制备环节 两种方法相比各有优劣,PECVD方法更为成熟,但如果找到延长热丝寿命的方法,HWCVD技术将在硅异质结电池上的进一步应用起到很好的促进作用。日本松下公司目前拥有的1GW产能均采用HWCVD沉积本征非晶硅与掺杂非晶硅,此类工艺优点是对界面轰击较小,薄膜质量较好,对硅片钝化较好,但是其劣势也比较明显,均匀性较差并且维护成本较高。总的来说现行的技术方向是往PECVD方向发展,在PECVD领域越来越多的设备厂家开始开发VHFCVD,比如国内的上海理想能源设备有限公司以及美国应用材料。 (三)TCO膜制备:PVD工艺和RPD工艺之争 PVD工艺主要采用直流磁控溅射制备TCO,现在HJT电池采用PVD工艺制备的TCO一般是ITO,但是由于PVD工艺带来了粒子高轰击,损伤较大,同时ITO光电学性能差于IWO导电薄膜。由于日本住友重工持有RPD设备与IWO靶材两项专利限制了该技术的发展,而PVD技术已经较为成熟,并且设备较为便宜且产能较大,所以现行的设备中,主要是以PVD设备为主导,梅耶博格、钧石能源、新格拉斯、Von Ardenne等都是以PVD为技术路线,当前只有台湾精曜在推行RPD技术方案,大陆厂商捷佳伟创也正在推动RPD设备(此前已和日本住友授权合作)。现在PVD技术由于受制于材料ITO本身光电学性能较差,所以该法短期之内难以取代RPD工艺。在效率上看,RPD设备会相对于PVD设备0.5-1%的效率提升。PVD和RPD设备的技术争论目前依然没有定论。 2.2 HJT设备成本结构:镀膜环节是边际增量 设备环节结构拆解,非晶硅沉积类设备占比最大。制备HJT电池片的核心环节只有四步,清洗制绒,非晶硅沉积,TCO膜制备和丝网印刷。根据2018年底的数据来拆解,从各个环节所需的设备来看成本:1GW电池片产能需要配备4台250MW的清洗制绒设备,对应成本约为4000万;1GW电池片产能需要配备10台100MW的非晶硅沉积设备,对应成本约为50000万;1GW电池片产能需要配备4台250MW的TCO沉积设备,对应成本约为14000万;1GW电池片产能需要配备5台200MW的清洗制绒设备,对应成本约为10000万。其中,非晶硅沉积和TCO膜制备环节所占比例最高,这两个环节的设备占比达到了70-80%。所以镀膜设备是HJT电池制备过程中,边际增量最大的设备,也是承载着设备国产化非常重要的一环。 镀膜设备的成本占比较高,主要原因有两点:(1)设备的单机成本较高,例如当前阶段,海外的进口设备单机价值量接近5000万左右,价格昂贵;(2)单机产出效率更低,由于工艺难度大,镀膜设备,尤其是PECVD设备的产出我效率基本上早2500片/h左右,相较丝网印刷和清洗机而言,单机产能较低。所以未来将更低镀膜设备的路径也对应有两条:(1)设备国产化后,降低单机价格,以PECVD为例,国产设备在海外设备基础上可以降低50%;(2)提高单机产能,根据当前国产设备的单机产出水平,可以对应当前海外设备提升1倍以上,这样可以相应减少设备的需求数量。从而降低总设备成本。 三、国内装备公司承载降本重任,未来受益显著 当前HJT全球设备中,主要以海外为主,未来随着国内产能逐步释放,同时国产设备的产品成熟度越来越高,国产设备将会充分受益于HJT降本增效的过程。在国内设备公司中,重点公司包括捷佳伟创、迈为股份、钧石能源、理想能源等。 3.1 捷佳伟创:具备整线化的设备制造商
在HJT电池方面,在主流工艺流程的各个环节捷佳伟创都可提供设备或者在研发中,是HJT电池制备设备的国产化重要力量。首先,在自动化和制绒清洗设备中,捷佳伟创目前已有可提供的设备。而在非晶硅沉积、TCO膜环节则正在研发中,可以在2019年底推出使用。
捷佳伟创是国内领先的电池片设备龙头企业,其产品系列齐全,并且占工艺类设备的比重较大,过去在电池片工艺设备中,可以达到80%左右。从PERC到HJT的产能迭代过程,公司有望充分受益。公司的核心竞争力主要包括:(1)产品具备性价比优势,尤其是在HJT的设备国产化方面,公司未来的整线方案将会为HJT降低成本做出重大贡献;(2)做大产能设备是公司持续的能力,在PERC时代,公司的大产能设备超越了海外同行;(3)持续不断的研发投入以及专注在电池片领域。
由于公司产品竞争能力强,且行业持续保持景气度,公司的新签订单规模持续加速。我们根据行业增速对公司2019-2020年新签订单进行模拟,测算公司市场份额曲线。结果表明,公司一直保持在30%以上的整体市占率水平,考虑行业尾部客户及部分公司未涉猎的产品,公司在现有客户的实际市占率可能大幅度高于此水平。 光伏设备制造周期和交货周期较长,同时下游客户的结算周期也较长,因此,光伏设备企业的商业模式通常为按需生产,客户按照产品进展付款。所以公司的财务特征表现为:(1)新签订单会有部分预收款项;(2)大量的产成品和半成品会形成存货。因此,我们可以通过观测公司的存货和预收款的趋势来观测公司实际订单情况增长如何。从实际情况看,公司2015年后存货和预收款快速增长,测算表面公司存货占期末在手订单的实际比例基本保持在50-60%的水平,其次预收款占公司期末在手订单的30-50%,跨度区间较大,通常行业下游需求旺盛公司产能紧张时,预收款占订单比例更高。从公司当前的存货和预收款来看,表明公司在手订单充沛,未来增长潜力较大。
3.2 迈为股份:从丝网到镀膜,实现新的跨越 专注太阳能电池片生产的关键环节丝网印刷:公司的主营产品为太阳能电池丝网印刷生产线成套设备,包括核心设备全自动太阳能电池丝网印刷机和自动上片机、红外线干燥炉等生产线配套设备。随着太阳能光伏行业竞争的加剧,终端应用厂商出于降低成本的考虑,愈发重视太阳能电池片的产量、碎片率和转换效率等指标。其中,丝网印刷作为太阳能电池片生产的关键工序,对上述指标起着至关重要的作用。
升。 公司业务以太阳能电池丝网印刷生产线成套设备为主,辅以单机设备、配件及其他。2018年成套设备占营业收入的84.4%,单机设备占15%。影响公司营业收入变化的主要因素是产品销量的增长,近三年来,成套设备销量持续增长,2015-2017年设备销量的复合增长率达103%,2018年销量依旧保持迅猛增长的态势,上半年销量已接近2016全年销量,达2017全年销量的74%,从在手订单的情况来看,下半年依旧有望保持高速增长。 公司境内业务占据主要份额,东南亚国家成境外主要市场。2015-2016年,因国内光伏企业规避欧美“双反”的限制,在马来西亚、印度、泰国等东南亚地区积极投资建厂,一方面扩大产能以满足全球太阳能光伏产业日益增长的需求,另一方面通过东南亚等国顺利出口美国和欧洲市场。2015-2017年公司太阳能电池生产设备在海外的销售收入占比飞速提升。2015-2018年公司在境外实现销售收入0.01亿元、1.07亿元、2.04亿元和3.56亿元,年复合增长率达1328%,分别占总销售收入的1%、31%、43%和5%,从微乎其微到半壁江山,新兴市场的崛起带来公司业绩新的增长点,2018年公司在境外收入有所下降。 外购设备致毛利率水平有所下降。太阳能电池丝网印刷设备领域过去一直被国外巨头垄断,技术门槛极高,公司经过多年自主研发积累,成为了全球少数几家能提供质量稳定、性能先进的太阳能电池丝网印刷设备企业之一,产品品质已达国内外领先水平。因此,公司产品具有较高的附加值,毛利率水平相对较高,2015-2017年公司销售毛利率都保持着50%左右的高水平,且都高于行业平均水平,2018年毛利率降至39.55%。不过公司销售净利率近三年均超过20%, 2018年为21.63%。2018年公司ROE达到14.98%,ROIC为20.46%。近三年,公司销售毛利率在2016年达近三年的峰值后有所下滑,主要系2017年以来公司成套设备中大多配置了外购设备。此外,2017年公司双线成套设备中,52%为集中采购,而集中采购的订单毛利率相对较低。而公司自制的成套设备毛利率并未下降,核心产品盈利能力并未减弱。相比可比公司,公司毛利率水平仍有一定优势。
投资建议 HJT电池正在从实验室走向产业化坦途,在HJT产业化过程中,装备国产化和材料国产化是重中之重。随着国产设备和材料取得突破,HJT的性价比优势会逐步显现,带来下游产能的加速迭代。国产设备在此过程中,扮演着非常重要的降本重任,会显著受益于HJT电池的产能迭代和国产化进程。我们建议关注在HJT电池核心制程段有产品布局的国产设备企业,重点关注捷佳伟创和迈为股份,同时也积极关注上游硅片制造端的设备企业晶盛机电。
本摘要节选自广发证券发展研究中心研究报告:《光伏设备深度(二):异质结(HJT):一代工艺,一代设备》 对外发布时间:2019年8月26日 仅供广发证券股份有限公司客户参考,未经许可请勿转发此微信链接 广发机械-----最前沿的基础研究、最深度的产业调研、最及时的公司跟踪。2017-2018年IMAC最受欢迎分析师第一名、2017年金牛奖最佳分析师第一名,2017-2018年水晶球最佳分析师第二名,2017年新财富最佳分析师第三名、2016年新财富最佳分析师第二名。始终坚守价值挖掘,做值得信赖的卖方品牌! |
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