晶硅电池的基本原理与核心工序

1、 晶硅电池的基本原理与核心工序

全球光伏电池市场以晶硅电池占据主导地位。据 CPIA 数据，2021 年全球晶硅 电池市场占有率为 96.2%，同比提升了 0.2 个百分点。

晶硅电池的提效降本是光伏行业发展的关键，规模化、技术进步、成本降低三者 互相促进。从最初规模化量产的铝背场电池，到 PERC（发射极钝化和背面接触）， 再到 HJT（本征非晶层的异质结）电池和 TOPCon（隧穿氧化层钝化接触电池）， 以及未来的叠层电池，光伏电池效率不断逼近极限，并由此带来成本与规模的突 破。

尽管光伏电池技术路线不断迭代，效率不断提升，但基于晶硅电池的基本原理和 核心工序并未改变，即清洗制绒、扩散制结、钝化镀膜、金属化四大步骤。

1）清洗制绒

清洗主要用来清除硅片表面杂质、去除硅片表面损伤层，制绒则用于在硅片表面 形成金字塔结构，从而降低反射率。

2）扩散制结

通过扩散的形式，形成光伏电池的核心结构：P-N 结。通常适用于同质结电池。

3）钝化镀膜

通过真空镀膜的形式，在电池片表面形成一层钝化膜，起到降低少子复合、提供 场钝化效应、降低反射率的作用，对于电池效率的提高起到关键作用，也是光伏 电池提效的主要出发点。

4）金属化

用于形成光伏电池的前电极和背电极，通常使用丝网印刷的方式。金属化的工艺 路线与钝化工艺密切相关，同时对降低少子复合、降低电阻损失起到关键作用。 此外，还包括刻蚀、检测等通用步骤，在不同的电池技术路线中区别不大。

2、 掺杂与成结：光伏电池的“心脏”

P-N 结是光伏电池的“心脏”。 按照 P-N 结类型，光伏电池可以分为同质结电池和异质结电池。其中同质结电 池主要通过扩散的方式，在同一种类型的硅片（P 型或 N 型）上实现掺杂，从 而得到 P-N 结。异质结电池的 P 型区和 N 型区由不同类型的半导体材料构成， 可分为掺杂型和非掺杂型。

当 P 型半导体和 N 型半导体结合在一起，由于 P 型半导体中空穴浓度高，而 N 型半导体中电子浓度高，因此会形成热扩散运动。 即 P 型半导体中空穴向 N 型区扩散，N 型半导体中的电子向 P 型区扩散。而后 在 P 型区形成负电荷，而 N 型区形成正电荷，两者之间形成一个内建电场。 在光照条件下，能量大于禁带宽度的光子被吸收，在 PN 结的两边产生电子-空 穴对，并在内建电场的作用下相互分开，从而产生光生电流。

“收集概率”描述了光照射到电池的某个区域产生的载流子被 P-N 结收集并参 与到电流流动的概率。其大小与光生载流子需要运动的距离和电池表面特性有关。 距离耗散区越远，被收集的概率就越小，而表面钝化能够增加同一位置下载流子 被收集的概率。

什么是扩散？ 扩散描述了一种物质在另一种物质中运动的情况。本质在于原子、分子和离子的 布朗运动，造成由浓度高的地方向浓度低的地方进行扩散。 晶体硅太阳电池制造采用了高温化学热扩散的方式来实现掺杂制结。热扩散利用 高温驱动杂质穿过硅的晶格结构，这种方法受到时间和温度的影响，需要 3 个步 骤：预淀积、推进和激活。

扩散的三个指标：方阻、结深、表面浓度

方阻值大小主要为表面浓度和结深的综合表征，其对电池片参数的影响主要有以 下三点： 1）扩散 P-N 结深度直接影响到其对短波光线的吸收，因此在一定范围内扩散 P-N 结越浅（方阻值越高），电流值越高； 2）扩散磷元素的掺杂浓度从一定程度上影响其 N 型硅部分的导电性能，因此掺 杂浓度越高（方阻值越小），填充因子越高； 3）一般来说，在一定范围内，扩散浓度增大，开路电压随之增大。

2.1、 同质结：磷扩与硼扩

同质结电池中，P 型区和 N 型区为同一种类型的半导体材料，一般使用掺杂的 方法形成 P-N 结。常见的掺杂方法包括： 1）管式扩散（低压、常压）； 2）离子注入+退火； 3）涂布源扩散（丝网印刷、旋涂、喷涂、滚筒印刷）。 目前大多采用低压管式扩散。

磷扩： POCl3分解产生的 P2O5淀积在硅片表面，P2O5与硅反应生成 SiO2和磷原子，并 在硅片表面形成一层磷硅玻璃，然后磷原子再向硅中进行扩散。 硼扩： BBr3/ BCl3分解产生的 B2O3淀积在硅片表面，B2O3与硅反应生成 SiO2和硼原子， 并在硅片表面形成一层硼硅玻璃，然后硼原子再向硅中进行扩散。 由上可知，不管是硼扩还是磷扩，需形成硼原子或磷原子的基础上，向硅基体扩 散。 相比磷扩散，硼扩散的难度更大。原因在于硼原子在硅基体中的固溶度较低，导 致硼扩的温度须达到 1000℃以上。且表面掺杂量较多时容易在表面形成硼堆积， 即富硼层（BRL），对后续清洗造成挑战。

对于硼扩来说，目前有 BBr3/ BCl3两种路线。 BBr3常温下为液体，安全性相对较好，但生成的 B2O3呈黏状，需要 DCE 清洗， 维护成本高。 BCl3常温下为气体，安全性相对较差，但生成的 B2O3呈颗粒状，容易清理，缺 点是 B-Cl 键能更大，不易分解，造成扩散温度下利用率不高。

根据 ITRPV 预测，未来 BBr3路线仍将占据多数份额，但 BCl3路线的占比将会逐 步提升，到 2032 年约达到 40%左右的市场份额。

2.2、 同质结：SE

为什么需要 SE（选择性发射极）？ 原因在于： 常规晶体硅太阳能电池采用均匀高浓度掺杂的发射极。较高浓度的掺杂可以改善 硅片与电极之间的欧姆接触，降低串联电阻，但也容易造成较高的表面复合。为 此，需要使用选择性发射极（SE）技术，在金属栅线（电极）与硅片接触部位 及其附近进行高浓度掺杂深扩散，而在电极以外的区域进行低浓度掺杂浅扩散。

SE 结构的优势： 1）电极下的重掺杂使得接触电阻较常规电池有所下降，从而提高填充因子； 2）电极间的轻掺杂可有效降低载流子在扩散层横向流动时的复合概率，提高载 流子收集效率； 3）太阳光短波段基本在硅片正表面被吸收，浅扩散可以提高短波段太阳光的激 发效率，从而提高短路电流； 4）形成一个 n++-n+/ p++-p+的高低结，可以降低电极下方的少数载流子复合， 提高开路电压。 综合来说，SE 较常规电池更好地平衡了金属半导体间的接触电阻和光子收集之 间的矛盾。 基于硼扩的技术难度，在硼扩的基础上做出 SE 相较磷扩 SE 难度更大，目前主 要发展出一次硼扩和二次硼扩两种技术路线。

根据通威股份《基于 PECVD 技术制备超薄隧穿氧化层及 poly-Si 在 TOPCon 电 池中的应用》，目前行业内常见的硼扩 SE 有五种方案，其中激光开膜路线是目 前最成熟的方案。从量产前景来看，Etch-back 路线、激光直掺路线是最可能实 现量产的路线。五种方案中，刻蚀浆料路线、硼浆路线、Etch-back 路线都需要 外部开发不同的浆料。

2.3、 异质结：掺杂与非掺杂

从本质上讲，热扩散是实现掺杂的一种方法，用于在同一种半导体上形成 PN 结。 其他方法还包括离子注入、气相沉积等。 如通过气相沉积的方法在晶硅表面沉积本征非晶硅和掺杂非晶硅，由于晶硅与非 晶硅不属于同一种半导体材料，故形成的 P-N 结名异质结。

异质结电池采用气相沉积实现掺杂，而非扩散的形式。这带来的一个问题是，前 表面的非晶硅带隙较小，导致严重的光学寄生吸收，从而限制了饱和电流的提升； 且非晶硅层掺杂效率低致使电池良率较低。 这就引发了对免掺杂异质结电池的应用和探索。N 型过渡金属氧化物（TMO） 材料被尝试用作空穴传输层。根据中山大学相关资料，HJT 电池中利用 MoOx 代替 p 型掺杂非晶硅，最高转换效率已达 23.5%。

2.4、 非成结掺杂

掺杂工艺除了可以形成 P-N 结之外，还被用作形成高低结。 所谓高低结，指的是在电池基体和底电极间建立一个同种杂质的浓度梯度，制备 一个 P-P+或 N-N+高低结，形成背电场，可以提高载流子的有效收集，改善太阳 电池的长波响应，提高短路电流和开路电压，这种电池被称为“背场电池”。 典型的案例是在 TOPCon 电池中，正面使用硼掺杂在 N 型硅片上形成 P-N 结， 背面使用磷掺杂制成的 N 型多晶硅，起到高低结的作用。HJT 电池中，正表面 i 层非晶硅与 n 型硅基底形成 P-N 结，背表面 n 型非晶硅与 n 型硅基底形成高低 结。

从广义上来讲，只要是通过同种杂质的浓度梯度建立起电场，从而影响载流子收 集的结构，都可以称作高低结。 如硼扩/磷扩中的选择性发射极、BSF 电池中的铝背场、PERC 电池中的局部铝 背场、以及 TOPCon 电池正表面的银铝浆细栅。

2.5、 扩散炉

国内 PERC 电场的磷扩散设备已完全实现国产化，并发展出了适用于大硅片、大 产能的设备，综合考虑热场、气场的均匀性，硅片的放置模式有水平、垂直、类 PE 型垂直等多种模式。 硼扩散设备的要求比磷扩散更高，主要体现在：均匀性、扩散时间长、扩散温度 高、硅片寄生 OSF 位错。

均匀性问题：核心是气场与热场的均匀。 垂直放片和水平放片各有优劣，垂直放片有利于热辐射传递，但不利于气流传输； 水平放片有利于气流传输，但对热辐射有遮挡。随着硅片尺寸变大变薄，垂直放 片的均匀性受到挑战，一方面大硅片导致两硅片间气体运动距离变长，阻力增大； 另一方面薄硅片垂直放置时弯曲度变大。 拉普拉斯采用水平背对背放置，气流从端口和侧面进入，不仅增加了气流的均匀 性，而且硅片背对背放置，在重力作用下自然压紧，可减少绕镀。

另一方面，随着单炉产能不断增加，炉管长度随之增加，带来了超长温区内气流 与热场均匀性问题。目前多采取多段进气的方式，增加炉管内气流均匀性。

3、 钝化：提效的关键

光伏电池效率的热力学极限

一方面，考虑到晶体硅在室温下的光学带隙为 1.12eV，能量低于 1.12eV 的光子 不足以激发电子-空穴对，因此能够有效利用的光子能量有限。另一方面，能量 太高的光子中高于 1.12eV 的能量以热弛豫形式散发。能够被吸收的能量约为 49%，又由于禁带电势差与电池开路电压的差异，能够有效输出的电能约为 60%。 因此，常温下硅基光伏单结电池的效率极限约为 29.4%。

逼近极限：可弥补的损失

对于硅基光伏单结电池来说，即使极限效率仅有 29.4%，目前的量产技术水平 仍有较大的提升空间。整体来看，可弥补的太阳电池效率损失可以分为两大类， 即光学损失和电学损失，电学损失又有复合损失和电阻损失两部分。

1、光学损失

1）表面反射。晶体硅的折射率与空气相差很大，这会导致很大一部分入射光被 反射，一般通过表面制绒和沉积减反膜来降低表面反射； 2）长波透射。部分长波不能被硅基体完全吸收而从电池背面透过，可适度增加 硅片厚度以消除该不利因素； 3）栅线遮挡。部分入射光被正面金属电极栅线遮挡，一般可通过优化栅线设计 或使用背电极来解决。

2、电学损失

1）复合损失。主要指晶体硅太阳电池中，由于掺杂、杂质、缺陷等因素，电子空穴以各种形式形成复合，通常包括辐射复合、俄歇复合、SRH 复合、表面复 合四种。减弱光生载流子复合的方法包括钝化（热氧、原子氢、表面扩散）、增 加背场等； 2）电阻损失。包括串联电阻和并联电阻，串联电阻主要由硅基体电阻、电极接 触电阻、发射极电阻、主栅/细栅电阻、焊带电阻组成；并联电阻主要来自 pn 结结构和制备过程中的工艺，一般认为是在晶体硅太阳能电池的边缘产生。

3.1、 钝化：有效减少复合

少数载流子的复合是影响电池性能的关键因素，因此界面钝化成为晶体硅太阳能 电池提效的关键手段。晶体硅材料体内的缺陷，包括杂质、空位、晶格畸变等， 以及材料表面缺陷，如吸附杂质、悬挂键等，会成为载流子的复合中心，从而影 响材料的少数载流子寿命。

晶体硅太阳能电池中表面或者晶界的局域态缺陷主要由以下三方面原因引起： 1）悬挂键，主要是由于基体表面断键引起的晶体缺陷。 2）器件制备过程中由工艺引入的杂质掺杂，在高浓度掺杂的情况下会引入死层 (未激活的掺杂剂)缺陷从而引起晶格发生畸变。另外，高浓度掺杂情况下会引入俄歇复合。 3）硅晶体在硅锭制备的过程引入了杂质、晶体不良等缺陷。

在各种缺陷中，最突出的表面缺陷。在硅片切割过程中，硅原子周期性排列的中 断导致悬挂键的存在，从而形成复合中心。而钝化的过程是指通过使已存在的缺 陷失去活性，从而达到减少载流子表面复合的作用。主要有两种互补的钝化方法： （一）场效应钝化。通过在表面附近产生一个电场，可以阻止类似极性的电荷载 流子靠近，从而极大地减少一种极性的载流子达到表面的数量； （二）化学钝化。一种是在表面生长一个表面层，使原子有足够的时间和能量达 到最佳能级，从而使表面悬空键饱和。另一种是沉积一层富 H 的电介质层，通 过其在烧结过程中释放的游离氢来占据悬空键的空位，从而起到钝化效果。

3.2、 钝化层的选择，决定了电池路径

钝化是光伏电池提效的关键，因此选择合适的钝化材料至关重要，需要根据表面 电荷特性和电池结构进行合理搭配。而正是不同的钝化结构，决定了不同的电池 技术路线。

根据 Jan Schmidt 等人 2018 年建立的理论模型，不同的钝化介质会形成不同的 钝化界面特性（如饱和电流 J0、接触电阻ρc 等），选取电子选择接触层、空穴 选择接触层相互组合后，理论上可以计算出不同电池模型的最大效率。 基于此模型和各种钝化膜的钝化和电导性结果，得到了双面 TOPCon 电池的理 论极限效率为 28.7%，而 HJT 电池的理论极限效率为 27.5%。

2021 年，隆基公司 Wei Long 等人对该模型进行了修正。采用微晶、纳米晶材 料替代原有的 i、p 层非晶硅，得到了更低的钝化膜接触电阻，但钝化特性并没 有变差。 根据修正后的结果，双面 TOPCon 电池的理论极限效率为 28.7%，而 HJT 电池 的理论极限效率为 28.5%。

氧化铝：PERC 走向工业化的关键

PERC 电池结构最早于 1989 年由新南威尔士大学 Martin Green 所领导的研究小 组提出。该电池正面采用光刻工艺制备“倒金字塔”陷光结构，双面生长高质量 氧化硅层，正面氧化硅层作为减反膜，进一步改善正面的陷光效果。背面氧化硅 层作为钝化膜，避免背金属电极与硅片全接触。 UNSW 开发的 PERC 系列电池虽然转换效率高，但技术复杂，成本高，特别是 需要利用多次光刻和高温热氧钝化工艺，这导致该系列电池没有走向产业化。真 正使 PERC 电池产业化取得突破性进展的是氧化铝应用于太阳能电池做界面钝 化层。

2006 年，G.Agostinelli 等利用原子层沉积（ALD）技术在 p 型单晶硅表面沉积 Al2O3 薄膜，将表面复合速率降低至 10cm/s。2010 年，Thomas Lauermann 等率先将 Al2O3 钝化用于 125mm×125mm 的 p 型 CA 硅片，背面采用 15nmALD- Al2O3/80nmPECVD-SiN 叠层钝化，效率为 18.6%，从而促进了大尺 寸 PERC 电池的产业化进展。

对于 p 型表面来说，Al2O3是最佳的钝化材料。 因为： 1）大多数钝化膜都带正电荷，如氧化硅、氮氧化硅、氮化硅等，但氧化铝在沉 积过程中，负电荷恰好处在氧化铝和硅晶表面生成的氧化硅界面的交界处，且负 电荷密度高，可确保产生高效的场钝化效果； 2）氧化铝的化学钝化效果也非常好，饱和了晶体硅表面的悬空键，降低了界面 态密度。 目前采用 AlOx/SiNx 叠层钝化膜进行 PERC 电池的背表面钝化。原因主要是： 1）氮化硅层实现对氧化铝层的保护； 2）厚度达到 100nm 以上，实现内反射。

（氢化）非晶硅：HJT 电池的关键钝化材料

20 世纪 60 年底后期，氢化非晶硅（a-Si:H）的发现引发了研究者极大的兴趣， 具有合适的载流子迁移率的 a-Si:H 成为潜在的光伏材料。 研究过程中有两个里程碑： 1）1974 年，Lewis 等解释了氢在饱和 Si 原子悬挂键和形成稳定的互联 Si-H 环 结构中的作用； 2）1975 年实现取代掺杂， n 型掺杂（p 型掺杂）通过向硅烷气体中加入磷（乙 硼烷）而实现。 1979 年，三洋公司首次发布商用 a-Si:H 太阳能电池，用于手持计算器。20 世 纪 80 年代后期，三洋的研究部门用 a-Si:H 和 c-Si 形成硅基异质结，并在 1991 年以商标 HIT 为他们的 a-Si/c-Si 异质结（SHJ）电池的混合设计申请了专利。 2011 年专利到期后，国内外开始尝试规模化量产。

氧化硅（隧穿氧化层）+多晶硅

隧穿氧化层钝化接触（tunnel oxide passivated contact, TOPCon）太阳能电 池，是 2013 年在第 28 届欧洲 PVSEC 光伏大会上德国 Fraunhofer 太阳能研究 所首次提出的一种新型钝化接触太阳能电池。 氢化非晶硅对温度的要求十分苛刻（不超过 200℃），而多晶硅薄膜对温度忍耐 性高，结合对电子和空穴具有选择性通过的隧穿薄膜形成钝化接触结构，并通过 高温扩散工艺完成掺杂的异质发射极。 实际上，多晶硅薄膜发射技术在 1980 年的半导体集成电路工艺上已实现商业化 应用。早期的双二极管研究工作中，发现薄 SiOx 层加掺杂的多晶硅层可以获得 低复合速率，并在 1990 年证明可以用于晶体硅太阳能电池的接触钝化。 隧穿层的备选方案包括 Al2O3、SiO2、a-Si:H、SiNx 等，本来 a-Si:H 是比较理想 的，但由于寄生光吸收、热稳定性差等原因，目前晶体硅电池上研究较多和产业 化应用的隧穿层主要是 SiO2材料。

3.3、 钝化接触：高效路线的本质

正确理解钝化和接触

在传统铝背场电池和 PERC 电池中，金属与晶硅层是相互接触的，不同的是铝背 场电池中采取了面接触（BSF），而改进后的 PERC 电池采取了线接触（LBSF）。 原因在于，尽管全界面钝化对背面钝化效果是最好的，但不能满足金属化的要求， 这就需要对背面钝化层进行开孔并实现局域金属接触。一方面，局域接触面积较 小，将电极接触处复合降至最低，另一方面，也满足了电流传导的金属化要求。 但是，在金属和半导体的直接接触区域，金属层在接触界面附近的带隙内引入了 巨量的电子态，导致电池端有超过 50%的载流子复合损失。

除了进行金属接触区域的局部重掺杂，减少金属/半导体的接触面积之外，一个 行之有效的办法就是：采用超薄介质薄膜将金属和半导体隔离，钝化硅片表面， 同时薄膜可以实现载流子的隧穿效应以保证载流子传导，这种技术被称为钝化 （界面）接触（电接触）技术。

这就意味着既要有良好的界面钝化效果，又要能实现良好的电接触，可选择的材 料包括 Al2O3、SiO2、a-Si:H、SiNx等。

从钝化效果来看，SiO2、a-Si:H、Ta2O5/SiNx 具有较好的钝化效果。N+ polySi 和 a-Si:H 具备较低的复合电流，但 a-Si:H 的接触电阻大于 N+ polySi。由于对 SiO2、a-Si:H 的钝化路线的选择，形成了 TOPCon、HJT 两大 N 型电池技术路 线。又由于 a-Si:H 的热稳定性差，决定了 HJT 需采用低温路线。

TOPCon： 薄 SiO2层在接触钝化中起到关键作用，而掺杂多晶硅一方面通过 n+/n 高低场作 用减少了硅基体界面处少数载流子密度，另一方面为多数载流子提供良好的传导 性能。

钝化接触效果直接体现在开路电压和短路电流上。 从开路电压Voc 来看，HJT>TOPCon>PERC。PERC普遍不超过700mV，TOPCon 则处于 720-730mV（单面钝化接触），HJT 则普遍大于 735mV，甚至接近 750mV （双面钝化接触）。 从短路电流来看，TOPCon>PERC>HJT。受到前表面寄生吸收的影响，HJT 短 路电流较低。

4、 光伏镀膜工艺：致密性、均匀性、厚度

在确定选择镀膜介质后，不同的设备和工艺路线将对镀膜质量（即致密性、均匀 性）产生影响，从而决定了完成钝化所需的膜层厚度。 而在真空镀膜工艺下，镀膜质量本质上与三个要素有关：气场、热场、电场。

在气相沉积工艺中，通入气体由反应物质与携带反应物质的惰性气体组成。在大 硅片背景下，为了提高单线产能，石英管长度与半径都有增加趋势。此时气场的 均匀性受到挑战，为了实现更好的管内气场，前进气、后进气、多段进气等工艺 先后得到应用。

热场的控制关键在于对管内温度更精准的控制。特别是光伏电池效率不断逼近极 限，热场的精准调节有助于提高膜层质量。 北方华创温控解决方案：采用多段超长温区温控系统，非对称炉体设计，关键步 骤阶梯控温技术，串级低超调快速回温技术，窄温度梯度工艺控制。

在管式 PECVD 中，石墨舟既是载具也是电极，以折叠的形式最大程度提升电极 的有效面积。高频电场是制造等离子体的关键。

4.1、 真空镀膜工艺总览

薄膜：由原子、分子或离子沉积所形成的二维材料称之为薄膜。 各种薄膜制备技术总体可分为两类： 1）在液相中进行的化学物理制备方法，例如电镀、化学镀、热浸涂、热喷涂等； 2）在气相中进行的化学物理制备方法，例如常规沉积、真空沉积、等离子体沉 积、离子束沉积、离子束辅助沉积、等离子体喷涂等。 除常规沉积外，大部分属于真空镀膜的范围，其目的是为了改变基体表面的物理 化学性能。

薄膜沉积设备通常用于在基底上沉积导体、绝缘体或者半导体等材料膜层，使之 具备一定的特殊性能，广泛应用于光伏、半导体等领域的生产制造环节。 薄膜沉积设备按照工艺原理的不同可分为物理气相沉积（PVD）设备、化学气相 沉积（CVD）设备和原子层沉积（ALD）设备。

1）PVD

物理气相沉积（PVD）技术是指在真空条件下采用物理方法将材料源（固体或液 体）表面气化成气态原子或分子，或部分电离成离子，并通过低压气体（或等离 子体）过程，在基体表面沉积具有某种特殊功能的薄膜的技术。PVD 镀膜技术 主要分为三类：真空蒸发镀膜、真空溅射镀膜和真空离子镀膜。

2）CVD

化学气相沉积（CVD）是通过化学反应的方式，利用加热、等离子或光辐射等各 种能源，在反应器内使气态或蒸汽状态的化学物质在气相或气固界面上经化学反应形成固态沉积物的技术，是一种通过气体混合的化学反应在基体表面沉积薄膜 的工艺，可应用于绝缘薄膜、硬掩模层以及金属膜层的沉积。

3）ALD

ALD 技术是一种特殊的真空薄膜沉积方法，具有较高的技术壁垒。通过 ALD 镀 膜设备可以将物质以单原子层的形式一层一层沉积在基底表面，每镀膜一次/层 为一个原子层，根据原子特性，镀膜 10 次/层约为 1nm。

CVD 工艺一般需满足三个条件： 1）先驱反应物全部为气体。若先驱反应物在室温下为气体，则可用简单的沉积 装置来满足成膜要求。若先驱反应物在室温下挥发性很少，则需通过加热使其挥 发，且同时对从反应源到反应室的管道进行加热，以便采用运载气体将先驱反应 物带入反应室；

2）生成物为固体（+气体）。生成物除了用于沉积物质为固态薄膜外，其他反 应物均为挥发性气体，以便被抽气系统排出； 3）沉积薄膜物质的蒸气压需足够低，以保证在反应的全过程中沉积物质能够在 一定温度的基体上形成薄膜。

4.2、 TOPCon 镀膜设备

TOPCon 电池中，主要针对标志性的隧穿氧化层和掺杂多晶硅层进行分析。 隧穿 SiO2层：可采用热氧化法、PECVD、PEALD 等镀膜方法； 掺杂多晶硅层：主要有 LPCVD、PECVD 两种路线。

对比不同厂家的设备参数，目前采用 LPCVD 的厂家主要有：拉普拉斯、北方华 创、松煜、红太阳、赛瑞达；采用 PECVD 路线的厂家主要有：捷佳伟创、金辰。 不同的技术路线的区别点主要在于产能、良率、均匀性等指标。

从终端电池片厂商的选择来看，拉普拉斯的 LPCVD 路线具备先发优势，目前已 在晶科、捷泰、通威、正泰等厂商实现应用；捷佳伟创的 PECVD 路线亦取得较 快进步，主要在天合、晶澳、通威等厂商实现应用；微导主要采用 PEALD+PECVD 路线，目前也已取得小范围供货；中来股份采用独特的 POPAID 路线，主要设 备由杰太供应。

4.2.1、镀膜的质量与厚度

氧化铝

作为 P 型表面绝佳的钝化材料，Al2O3自带负电荷，可以同时提供化学钝化和场 钝化效应，在 PERC 电池背表面钝化过程中起到重要作用。目前，TOPCon 电池 正表面钝化仍采用 Al2O3。 在制备方法上，可供选择的路线通常包括 ALD、PECVD、APCVD 等。

根据丁建宁《高效晶体硅太阳能电池技术》，PECVD 可以在同一设备完成氧化 铝和氮化硅薄膜沉积，工艺集成性好，但 PECVD 沉积的氧化铝致密性略差，钝 化效果不如 ALD，因此 PECVD 沉积氧化铝厚度一般需大于 15nm。根据宋登元 《N 型电池产业化现状与发展趋势》，3-5nm 氧化铝薄膜效果最好，复合降到 电流 15fA/cm2以下。 Jan Schmidt 等人研究表明，各种沉积氧化铝技术中，按钝化效果排序： ALD>PECVD>溅射。原因在于，ALD 沉积氧化铝由两个自限半反应组成，每次 反应被限制在一层原子，通过交替通入反应物，氧化铝得以一层一层生长，所以 其结构致密，钝化效果好。

根据 CPIA《中国光伏产业发展路线图(2021 年版)》，ALD 沉积技术有更精确的 层厚控制和更好的钝化效果，2021 年在 PERC 电池背钝化市场占比约 41.4%。 而在 TOPCon 正面钝化领域，我们估计 ALD 沉积氧化铝市占率更高。根据微导 公司披露，截至 2022 年 9 月，公司已斩获 TOPCon 等相关新型高效电池订单 近 80GW。

氧化硅（隧穿氧化层）

在 TOPCon 电池钝化结构中，SiO2膜具有重要作用。它的钝化效果很好，但却 是绝缘的。目前有两种导电机制可以使得电流通过这层绝缘膜： 1）针孔作用；2）隧穿机理。根据宋登元《N 型电池产业化现状与发展趋势》，SiOx 在不同厚度下，载流子 隧穿机制有所不同： 1）SiOx2nm，载流子穿过氧化硅层是针孔机制+隧穿机制； 3）1.43nm 和 1.25nm，FF 较差由于隧穿导电机制不能提供充足的导电，不能 较好阻挡磷杂质进入硅衬底； 4）SiOx=1.55nm，得到比较好的钝化效果。 SiO2膜制备方法可以包括：湿法氧化、热氧化、PECVD、PVD、ALD。从致密度 排序来看，ALD 制备的膜钝化效果最佳，其次是热氧化法，其次是 PECVD，最 后是湿法氧化。 一般情况下，ALD-SiO2膜在 0.7nm，而热氧- SiO2需达到 1.3nm。

掺杂多晶硅

目前多晶硅膜厚度为 120-150nm。理论上来讲，多晶硅层越厚，越不容易烧穿， 金属化烧结窗口越宽，但硅带来显著的长波段寄生吸收，导致短路电流损失。 将背表面多晶硅薄膜的表面掺杂浓度及厚度降低，可以有效减少光学的 FCA 损 失，但过薄的多晶硅层会导致金属浆料烧穿，需结合金属化过程进行综合分析。

根据 ITRPV《2022 年国际光伏技术路线图》，TOPCon 电池中 poly 硅厚度将保 持下降趋势，由 2022 年的 120nm 下降至 2029 年的 80nm。

4.2.2、趋势：LP 与 PE 路线

对于TOPCon电池中掺杂poly硅沉积，目前主要有LPCVD和PECVD两大路线。 并由此衍生出原位掺杂和非原位掺杂两条路径。

LPCVD 制备 poly 硅的工艺相对成熟，且成膜质量好，但缺点在于成膜速率低， 特别是进行原位掺杂时速率更低。且容易产生绕镀，在石英管和石英舟上也沉积 非晶硅膜，造成维护周期短，去绕镀难度高。

PECVD 制备 poly 硅的工艺属于新技术，优点在于沉积速率快，且可实现原位掺 杂。但其缺点在于制备的膜中氢含量较高，在后期高温退火过程中容易析出气泡， 造成钝化膜破损。

原位掺杂与非原位掺杂

由于 LPCVD 在原位掺杂中成膜速率较慢（1-2nm/min），所以一般 LPCVD 路 线搭配非原位掺杂，在制备本征多晶硅后再进行磷掺杂。PECVD 则一般搭配原 位掺杂，在形成多晶硅层的同时实现磷掺杂。

根据 ITRPV《2022 年国际光伏技术路线图》，原位掺杂、PECVD 的市占率将逐 步提升。预计到 2032 年，原位掺杂将占据 50%以上市占率，PECVD 将占据近 60%的市占率。

值得一提的是，针对各自路线的不足，LPCVD 和 PECVD 仍在不断改进过程中。 LPCVD： 针对绕镀导致的石英件寿命缩短问题，拉普拉斯通过导入涂层石英，可将石英寿 命由原来的 3 个月延长至 6 个月。通过同步优化涂层和石英加工工艺，目标寿 命 12 个月。预计 2023Q1 前，拉普拉斯通过规模化导入双插技术，可进一步促 进 LPCVD 成本降低 50%。

PECVD： 宁波材料所采用 PECVD 制备掺碳多晶硅，显著抑制 PECVD 薄膜在高温下的脱 膜，提升钝化质量，碳能增加氢的富集，进一步提升钝化效果。

管式与板式 PECVD

管式 PECVD 在 PERC 电池工艺中主要用于沉积氧化铝和氮化硅薄膜。而板式 PECVD 主要用于 HJT 电池。一般来说，管式 PECVD 具备结构简单、产能大、 价格低的优势，但镀膜精度和质量低于板式 PECVD。 在 TOPCon 电池 poly 硅制备中，PECVD 首先沉积非晶硅薄膜，后期需通过退 火处理，以达到晶化的目的。且非晶硅薄膜的厚度远大于 HJT 电池（TOPCon 电池 100nm 以上，HJT 电池 10nm 且参与成结），因此业内倾向于使用管式 PECVD。

4.3、 HJT 镀膜设备

4.3.1、镀膜的质量与厚度

（氢化）非晶硅

HJT 电池在硅片正反面均要镀制 5-10nm 的本征非晶硅层作为钝化膜。在背表 面本征非晶硅层外侧，镀有约 10nm 厚的硼掺杂 P 型非晶硅层，在前表面本征 非晶硅膜外侧，镀有约 10nm 厚的磷掺杂 N 型非晶硅层。 前表面的非晶硅层作用十分重要，一方面是作为 n/n+层提供场钝化，但另一方 面该层过厚会造成强烈的光吸收，影响短波响应。 针对 HJT 电池中非晶硅层制备，目前主要有两种镀膜技术：PECVD 镀膜和 CAT-CVD（热丝镀膜）。其中 PECVD 镀膜又可分为射频 PECVD（13.56MHz） 和甚高频镀膜（27.12MHz、40MHz）。这部分是 HJT 电池中最为关键的技术， 设备在整个生产线价格中约占 50%的份额。

透明导电膜（TCO 层）

TCO 可以实现两个目的：1）用作减反射涂层（ARC）；2）增加横向导电性。 根据技术路线不同，主要有 PVD 和 RPD 两种制备方法。

针对 TCO 层，可以选择的镀膜材料有 ITO（氧化铟锡）、IWO（掺钨氧化铟）、 AZO（铝掺杂氧化锌）。其中 ITO 主要与 PVD 路线配套，IWO 主要与 RPD 路 线配套。为了减少铟的用量，AZO 可以用来部分替代 ITO 的使用。 根据迈为股份披露，通过 ITO+AZO 叠层膜的设计应用，实现了效率相当情况下 铟用量降低 70%。未来根据不同的功能需求，有望采用多种材质的 TCO 材料进 一步替代 ITO，实现无铟化。

对比不同厂家的设备参数，目前采用 PECVD（射频）路线的厂家主要有钧石、 捷佳伟创、梅耶博格；采用 PECVD（甚高频）路线的厂家主要有迈为、理想、 美国应材；Cat-CVD（热丝）属于小众路线，除了日本真空外，国产厂家主要是 江西汉可。

对比各电池片厂家的设备选择，捷佳伟创、启威星（迈为）占据了清洗制绒环节 的大多数市场份额；在 CVD 环节主要是迈为、钧石能源、理想等国产厂家；PVD 环节主要是钧石能源、捷佳伟创(RPD)、迈为；丝印环节主要是迈为、AMAT； 光注入环节主要厂家为迈为、台湾科峤。

4.3.2、趋势：腔室、镀膜顺序

产线构型

针对 HJT 镀膜设备，主要有三种类型的产线构型：线性串联式、团簇并联式、 线性并联式。 目前国内企业多采用线性串联式，优点在于结构简单，传递容易，缺点在于各个 腔室节拍固定，某一个腔室的节拍调整或故障，会影响整条产线。

并联设备有两种类型，即团簇式和线性。团簇式设备主要以美国应材开发的半导 体制造业中的镀膜设备转型而来（如 OLED 镀膜设备）；而线性并列式则以德国 梅耶博格为代表。

镀膜顺序

异质结电池的钝化层为本征硅 I 层，与之接触的晶体硅表面缺陷对电池的效率非 常敏感。 传统的产业化 PECVD 设备工艺流程为 IN-IP。先镀 I 层，接着镀 N 层，在出真 空腔室翻片之后镀 I 层和 P 层。其优点是翻片次数少，缺点是镀第二个 I 层前， 已经进行过一次掺杂腔室镀膜，容易有一些绕镀的磷原子附着在硅片表面，增加 表面缺陷，影响效率。 新型的产业化 PECVD 设备工艺流程为 I-IN-P。在镀一层 I 层后取出真空，翻片 后再次进入真空室镀背面 I 层，紧接着镀 N 层，取出真空腔室翻片后再镀 P 层。 尽管增加了一次翻片，但两层本征硅层镀膜之间不经过 N 型腔室，可以避免被 沾污。 经过大规模量产验证，I-IN-P 的镀膜顺序相较 IN-IP 可提高电池产线平均效率 0.15%。

腔体与腔室

随着 HJT 技术的发展，多层面结构成为技术趋势，即对于 i 层、p 层、n 层可分 为缓冲层、种子层、含氧层、富氢层等。但在工艺路线上有两种选择，一种是将 一种膜分成多个腔室镀，各个腔室的工艺参数略有差异；另一种是在一个腔室中 镀一种薄膜，但通过调整参数分成不同的子膜。 从本质上讲，第一种是以空间换取时间，设备硬件增加，但节拍加快，产能增加； 第二种是以时间换取空间，不同子膜更换工艺参数时需暂停辉光放电，但设备投 资减小。

迈为采用的连续多腔体镀膜，单条线产能已达到 600MW（截至 2022 年 6 月）。 而钧石、理想万里晖则采用单腔体镀多层膜路线，不同的是钧石通过对载板的改 进和扩大，实现了大腔室、大产能，单线产能达到 800MW，理想万里晖则创新 性地采用可叠加小腔室路线，增大了产量的可扩展性，且小腔体内气体利用率更 高，第三代产品单线产能已达到 600MW。

5、 先进电池进步的思路与方向

5.1、 TOPCon：主要缺口来自前表面

对于 TOPCon 电池来说，基于 24.8%的电池转换效率，主要影响效率的因素由 大到小： 1. 正面复合损失，2. 光学损失，3. 正面传输损失，4. 体复合损失，5. 背面传 输损失，6. 背面复合损失。 由此可见，TOPCon 电池目前的主要效率缺口来自前表面。原因在于： 1）TOPCon 电池背表面由 SiO2、poly 硅层组成钝化接触结构，而前表面仅由 Al2O3层钝化，使用烧穿型浆料，仍存在金属-硅基体直接接触； 2）由于硼扩掺杂浓度低，为了实现更好的接触，正面细栅从银浆转变为银铝浆。 为达到同样的导电效果，栅线宽度大于银浆。

为了解决 TOPCon 电池正表面的效率损失，终极方案是在正面也做成 SiO2+poly 硅的钝化接触结构。但P型TOPCon层的钝化能力本身就弱于N型TOPCon层， 且前表面多晶硅会造成强烈的光学吸收。 因此，目前多考虑局部 poly 层，即在正表面电极下方做一小部分 SiO2+poly 硅， 但应用层面难度较大。

根据拉普拉斯对 TOPCon 电池效率提升的路线图，正面 poly 结构（local/full） 适用于 26.5%的效率平台。 而在当前 25%的效率基础上，可以通过无损 SE 技术、薄 poly 等优化工艺将 TOPCon 电池效率提升至 26%。 基于硼扩的技术难度，在硼扩的基础上做出 SE 相较磷扩 SE 难度更大，目前主 要发展出一次硼扩和二次硼扩两种技术路线。

5.2、 HJT：完美钝化，主要缺口来自光学损失

与 TOPCon 电池相比，HJT 电池在正表面、背面均实现了钝化接触，因此获得 了较高的开路电压（接近 750mV），明显高于 TOPCon 电池和 PERC 电池。 但正表面的非晶硅层作为一种半导体，存在较为严重的寄生吸收，造成 HJT 电 池在短路电流方面并不占优势。 解决该问题的思路之一在于使用微晶硅代替非晶硅，原因在于微晶的吸光系数更 小，且具有更高的电导率，在缓解正表面寄生吸收的同时，降低了对 ITO 导电 性的依赖。

从工艺上来讲，微晶的形成需要改变通入硅烷与氢气的稀释率，即更高比例的氢 气，从而提高硅薄膜的晶化率。 但稀释率的提高通常伴随着沉积速率的下降，引入 VHF 电源以代替传统的 RF 电源，有助于提高微晶薄膜沉积速率。根据迈为股份数据，采用 VHF 电源，镀 膜速率较 RF 电源提升 2 倍，氢气用量较 RF 电源降低 70%左右，效率较 RF 电 源提升 0.3%以上。 原因在于，频率增加后，等离子体电子浓度增加，可以产生更多的自由基元，从 而提高微晶薄膜沉积速率。同时等离子体能量降低，有助于降低表面损伤。

关键假设： 2022 年全球新增光伏装机 230GW，我们预测 2023-25年全球新增光伏装机350、 430、500GW，按照 1.25 倍的容配比，组件需求量为 438、538、625GW。按 照 55%的产能利用率，则组件产能分别达到 795、977、1136GW。 根据已规划项目的进展情况，我们预测 TOPCon 产能进入快速发展期，2023-25 年新增产能分别为 200、250、280 GW，HJT 需进一步实现设备、产业链降本， 2023-25 年新增产能分别为 32、54、100GW。从而带动 TOPCon 产能在 2023-25 年达到 260、510、790 GW，HJT 产能在 2023-25 年达到 46、100、200GW。

在整体的电池产出中，预计2023-25年TOPCon产出占比为20%、35%、43.5%， HJT 产出占比为 5%、10%、12%，则 2023-25 年 TOPCon 电池产出为 88、188、 272GW，HJT 产出为 22、54、75GW。

随着国产化率提高和单线产能提升，预计设备降本持续进行，假设 2023-25 年 HJT 整线设备价格为 3.3/2.9/2.5 亿元/GW，TOPCon 整线设备价格为 1.9 /1.7/1.5 亿元/GW。 TOPCon 设备中，SE 能够有效提升转换效率，随着该项技术趋于成熟，预计将 从2023年开始实现规模化量产，假设23-25年硼扩SE渗透率为70% /80%/90%， 硼扩 SE 设备单价为 1000/800/800 万元/GW。 则 2023-25 年，HJT 设备市场空间为 102.6、155.5、250.0 亿元；其中 PECVD 设备市场空间为 51.5、77.8、125.0 亿元。 TOPCon 设备市场空间为 370.0、420.0、420.0 亿元，其中 LPCVD/PECVD 等 镀膜设备市场空间为 100.0、112.5、112.0 亿元，硼扩设备市场空间为 44.0、 52.5、56.0 亿元，激光 SE 设备市场空间为 14.0、16.0、20.2 亿元。

6、 金属化与电池进步

从电池技术进步的角度来看，金属化作为钝化镀膜的后续工艺，其技术路线选择 需要与钝化膜相配套，一方面，金属化本身与钝化膜/硅基体的接触将在很大程 度上影响复合；另一方面，栅线本身对电池的光学损失、电阻损失起到至关重要 的作用。

对于光伏电池金属化来说，栅线宽度仅是表观指标，不同的浆料设计出发点在于 界面接触，其次是印刷性能，以及烧结/固化后的附着特性和焊接特性，最后是 工艺与材料的综合成本。

全铝背场电池

全铝背场电池（Al-BSF）是最早实现产业化的晶硅电池结构，具有工艺流程简单、 技术成熟、成本低廉等诸多优点。 但是，电池背面硅/铝的全面积接触引起的载流子复合较为严重，且铝背场层的 反射率低，导致长波段光响应差，这些使得 Al-BSF 电池始终无法突破 20%的效 率瓶颈。

单面 PERC

随着背表面氧化铝（AlOx）钝化技术的出现，PERC 电池开始全面取代全铝背场 电池。 在单面 PERC 电池中，仍然采用铝背场，同时铝背场通过激光开槽的方式与硅基 体实现线接触，并在接触区域形成局部铝背场（LBSF）。

双面 PERC

在双面 PERC 电池中，放弃了全铝背场，而采用铝线接触的方式。根据 ITRPV 数据，双面 PERC 电池铝浆耗量仅为单面 PERC 的 1/4。

TOPCon 与 HJT 电池

由于采用了钝化接触技术，金属电极不再与硅基体直接接触，大幅改善钝化效果 与金属复合。 TOPCon 电池正面采用银铝浆。原因在于对于 TOPCon 电池，正面仍采用同质 扩散结，且硼掺杂的浓度较磷掺杂低 1-2 个数量级，导致发射区的接触电阻较大。 在 P 型发射极局域重掺硼技术完善之前，TOPCon 电池正面采用了银铝浆，在 烧结中铝原子进入 P 型发射区形成 p+区域，起到选择性发射区（SE）的作用。

对于金属化工艺来说，重要的是工艺与材料的匹配。丝网印刷、钢板印刷、激光 转印三种工艺都适用于液体浆料，适配高温银浆、低温银浆、银包铜银浆。而无 主栅技术、铜电镀则跳出了液体浆料的范畴，单独具备一套工艺与材料。

6.1、 金属化之材料：浆料区别与改进路线

根据 ITRPV 《2022 年国际光伏技术路线图》，2021 年，200GW PERC 电池（效 率 23%）消耗银 2640 吨，约占全球银总供给的 8%，单耗约 13.2mg/W。

6.1.1、高温浆料：从 PERC 浆料到 TOPCon 银浆

从 PERC 电池到 TOPCon 电池，从结构上看仅仅是背表面钝化方式发生了改变， 但由于硅基底从 P 型转变为 N 型，以及钝化层的改变，造成金属化工艺的较大 转变。 正面：对于典型的 N 型 TOPCon 电池来说，主要是从 N 型发射极（磷扩）转变 为 P 型发射极（硼扩），钝化方面仍采用 SiNx 和 AlOx 层。但由于硼扩掺杂浓 度低，为了实现更好的接触，正面细栅从银浆转变为银铝浆。 背面：由于钝化接触结构解决了金属与硅基体接触的问题，TOPCon 电池的背面 不再需要激光开槽+铝浆（LBSF），而是采用了银浆细栅。

整体来看，TOPCon 银浆主要分三种细分应用： 1）正面细栅浆料（银铝浆，烧穿型），需要在烧结过程中烧穿 SiNx 和 AlOx 层， 与硼发射极接触；2）背面细栅浆料（银浆，烧穿型），需要在烧结过程中烧穿 SiNx 层，与 poly 硅层接触； 3）正背面主栅浆料（银浆，非烧穿型），主要起连接细栅、汇聚电流、辅助焊 接作用。

但是，TOPCon 银浆正背面细栅需严格控制烧穿深度。 对于正面细栅，需控制银铝尖刺的深度，否则容易破坏硼发射极； 对于背面细栅，需控制烧穿深度，特别是在 poly 层减薄的趋势下，如何与薄 poly 层形成配合至关重要。

在高温银浆中，玻璃粉起到刻蚀作用，因此工艺核心之一在于调节玻璃粉的成分 与配比。 玻璃粉在烧结过程中主要有两个作用： 1）刻蚀硅片表面的 SiNx 减反射涂层，在烧结过程中促进硅太阳能电池正面电 极的致密度，从而形成致密的导电网络，使得银膜与硅基片形成良好的欧姆接触； 2）银浆烧结过程，玻璃粉在高温下溶解银粉，并带着银粉重新排列，这将影响 银浆的整个烧结过程。

6.1.2、低温浆料与银包铜

由于异质结电池中非晶硅不耐高温，导致其需适用低温银浆。与高温正银相比， 低温银浆固化温度低，不含玻璃粉，属于非烧穿型浆料。

在高温银浆中，玻璃粉会首先发生熔融，刻蚀硅片表面的 SiNx 减反射涂层并带 动银粉重新排列。因此玻璃粉是技术核心，助力实现高效接触和高效银粉导电。 在低温银浆中，由于取消了玻璃粉，银粉粘结主要靠有机体系树脂固化收缩实现。 由于缺乏烧结步骤，有机组分（特别是树脂）残留在浆料中，这也是低温银浆电 阻率较大的根本原因。

采用片状银粉+球状银粉复配的方式，有助于提高银粉间接触面积，从而改善银 浆导电性能。但同时影响了印刷速度。 印刷速度是规模制造、产能提升的关键。HJT 低温银浆印刷与铺墨速度(CT>2s) 显著低于主流的单晶 PERC、TOPCon 高温银浆。

银包铜

由于低温银浆导电性较差，加上双面使用银浆，使得 HJT 电池的单位银浆耗量 约为 PERC 电池的 2 倍，拉大了成本方面的差距。 银包铜作为一种有效的降本手段，引起业界重视。银包铜粉是一种核壳结构材料， 具有铜的物化性能和银的优良金属特性以及高导电性、抗氧化性和热稳定性，既 节约贵金属又降低了成本。 由于高温下铜容易氧化，因此银包铜浆料目前仅适用于异质结电池。

制备技术路线方面，化学镀法具备工艺简单、成本低等优点，目前已成为主流路 线。工艺方面根据沉积机理不同，又分为还原法和置换法两种。

运用化学镀法制备银包铜粉的过程中，镀液的主要成分是由硝酸银溶液组成，并 与铜离子发生置换反应，游离的银离子因为有较高的氧化-还原电位，导致镀液 稳定性不佳，制得的镀层不够致密。因此，现代工艺多采用络合剂来络合游离的 银离子，提高银离子的络合常数，保证镀液在金属包覆过程中的稳定性。常见的 络合体系包括：氨水络合体系、EDTA 盐体系、胺烯类化合物体系。

根据苏州晶银的银包铜浆料产品性能，不管是主栅还是细栅浆料，在粘度、固化 温度、拉力方面均保持同等水平，但银包铜浆料的体电阻率略高于纯银浆料，主 要原因可能在于部分铜粉未完全包覆。

根据安徽华晟测试结果，背面副栅使用银包铜浆料代替后，电池片效率降低 0.08%，主要反映在填充系数 FF 的差异。 组件方面，银包铜电池（背面副栅）组件 CTM 也表现出了类似的微幅下降趋势。

从安徽华晟新能源公布的异质结电池银耗降低路线来看，预计到 2023 年全面应 用银包铜浆料结合 0BB 技术，单片耗量

6.1.3、银浆与银粉国产化

不管是高温银浆，还是低温银浆，都是以银粉作为导电相。银粉在太阳能电池导 电银浆中占质量的 70%~90%，是决定银浆和形成银电极性能的关键因素。

银粉作为一种功能性粉末，不仅继承了银单质的一些性质，同时还具有粉末的独 特性能，所以银粉的形貌、粒度分布、分散性、表面性质等都对银浆的性能具有 重要影响。 1）粒度分布。 在 0.5～5.0µm 之间的银粉比较适用于太阳电池用银浆的调制。且在银浆调制过 程中，合理搭配不同粒度分布的银粉，可降低银浆印刷塑性后银粉自然堆积状态 下的空隙率，进而减小银浆烧结后导电膜的孔隙率及形成的电路中的串联电阻。 2）分散性。 银粉的分散性直接影响银浆的调制效果，分散性好的银粉在银浆调制过程中能与 有机体系充分润湿、混合，均质分散在有机载体中，使银浆具有很好的触变性和 流平性，丝网印刷过程中能连续、流畅、均匀地通过网孔，形成完整的电路图案， 有利于实现大规模连续生产。 3）振实密度。 银粉的振实密度直接反映了银粉在生成过程中结晶的完整度。振实密度越高的银 粉，其结晶完整度越好，在自然状态下银粉颗粒之间的堆积越致密，空隙率越小， 调浆烧结后得到的导电膜的空洞少且小，电路中的串联电阻小，电极导电能力优 良。

在 PERC 时代，正银主要采用球形银粉，背银采用片状银粉。其中背面银浆的技 术要求较低，从原料端的片状银粉到产品端的背面银浆基本都已实现国产化。尽 管 P 型电池正面银浆的国产化率在 2021 年末已达到 61%，但正面银浆所用的 银粉大多仍依赖进口。 n 型电池用正银国产化程度明显提升。受制于市场规模以及技术等因素影响，当 前 n 型电池的正面银浆国产化程度开始出现较大的分化。2021 年 TOPCon 电池 用正面银浆国产率达 70%左右；HJT 电池用低温主栅银浆国产率 10%左右，细 栅用银浆依然全部依赖进口。 国外银粉制造厂家主要集中于日本和美国，销量较大的有日本 DOWA、日本德 力化学、美国 Ferro 和 Ames Goldsmith 等公司。

银粉国产化率远低于银浆国产化率。原因在于银浆工艺核心在于配比，而银粉的 制造则具备更高的壁垒，特别是低温银粉对比表面积、分散性、平均粒径、振实 密度等参数要求更高。 从部分头部公司已公布的数据来看，银粉供应市场呈现寡头垄断格局。日本 DOWA 占据了聚和材料银粉供应的 84.6%（2021 年），占据帝科股份银粉供应 的 97.4%（2019 年）。

6.2、 金属化之工艺：接触式与非接触式

6.2.1、接触式

根据中国光伏产业协会数据，目前电池片的金属栅线几乎全部通过丝网印刷的方 式制备，2021 年市场占比达到 99.9%。预计未来 10 年内丝网印刷技术仍将是 主流技术。 丝网印刷由五大要素构成：工作台、丝网、刮刀、浆料、基片。基片直接放在带 有模板的丝网下面，丝网印刷油墨或涂料在刮刀的挤压下，从图形部分的网孔中 间挤压到基片上。印刷过程中刮板始终与丝网模板和基片呈线接触，接触线随刮 刀移动而移动，其他部分与基片为脱离状态，保证印刷尺寸精度和避免蹭脏基片。

分步印刷（DUP）&两次印刷（DP）

两次印刷： 先印刷第一层银浆并烘干，在第一层银浆的基础上覆盖第二层银浆，两层共烧结 形成电极。 两次印刷的方法可以突破单次丝网印刷高宽比的天花板，能有效提高电极栅线的 高宽比，既能增加电池的受光面，又能降低栅线电极整体的线电阻，从而大幅提 升电池的光电转换效率。 分步印刷： 根据主栅与细栅线对浆料特性要求的不同，将主栅与细栅分开印刷。细栅采用主 流的正面电极银浆，具有较好的塑形能力和良好的烧结特性及欧姆接触。由于主 栅在电池片上主要作用是汇集细栅上的电流，对塑形能力的要求较低，因此可选 用较便宜的银浆。同时分开印刷后主栅网版可以采用与细栅规格不同的网版，可 进一步降低主栅线的银浆单耗。

多主栅：从 MBB 到 SMBB

主栅是指晶硅太阳能电池表面上的粗电极条，起到连接细栅，将电池体内产生的 光生电流引到电池外部的作用。多主栅技术（MULTI-BUSBAR，MBB）是通过 提高主栅数目，提高电池应力分布均匀性，进而提高导电性，增加转换效率。 综合来看，多主栅技术（MBB）具有电学和光学两方面优势。 电学优势： 1）MBB 电池片电流横向收集路径增加，较传统 5BB 提高 30%以上； 2）MBB 技术可以使电流流经细栅到达主栅的路径显著缩短 50%以上，有效减 少电流流经细栅产出的功率损耗； 3）MBB 技术提高了电流的收集能力，即多主栅对电池片隐裂、断栅、破裂等容 忍度更高。

光学优势： 多主栅组件设计中，由于单根焊带变细，一般选用圆形焊带进行电池片连接，相 对与扁平型常规焊带，圆形焊带更能体现光学上的优势。 圆形焊带的使用，使得入射光无论从哪个角度进入，都能在焊带区域获得约 75% 的利用率，而传统的 5BB 采用的平焊带对入射光的综合利用率仅 5%以内。

理论上来说，SMBB 是 MBB 技术的升级版，延续了 MBB 的诸多优点，通过采 用更细的栅线，实现更少的遮挡和更短的电流传输距离。从而有效降低了串联电 阻，并进一步提高了对电池对隐裂、断栅、破裂的容忍度，提高可靠性。

不管是 MBB 还是 SMBB，对于丝网印刷的原理性要求变化不大，与现有设备兼 容。重要的是主栅增多，焊丝变细，焊点变小，对于串焊机的对位精度和焊接精 度要求提升。同时，由于主栅变细，需开发相应的 MBB/SMBB 焊带。

部分厂家相关进展： 迈为股份：积极探索新的组件工艺，成功开发出 SMBB 串焊机，可以满足 163、 166、182 和 210 多种规格电池的 SMBB 产品需求，焊丝直径最小可以兼容到 0.25mm； 宇邦新材：公司研发了适用于多栅组件的 MBB 焊带、适用于 HJT 组件的低温焊 带、适用于叠瓦组件的超薄冲孔焊带、适用于微间距组件的异形焊带等。目前市 场上主流的产品还是 MBB 焊带，SMBB 焊带的市场正在逐步推开。 同享科技：公司除了积极开发常规互连焊带、常规汇流焊带外，也积极探索与研 发 SMBB 焊带、黑色汇流带及反光焊带。公司年产涂锡铜带（丝）15000 吨项 目建成后，将形成 8000 吨 SMBB 焊带、4000 吨异形焊带、2200 吨反光汇流焊 带及 800 吨黑色汇流焊带的生产能力。

钢板印刷

传统网版的细栅附着在丝网上，丝网的网节或钢丝会阻挡网版透浆料，导致印刷 后栅线高低起伏、拓宽，影响电性能。而全开口钢板的细栅部分是 100%的无遮 挡结构，网版透浆料更顺畅、栅线更平整、均匀，从而电池栅线的形貌得以优化、 电性能得以提升。 由于栅线印刷区域为全开口结构，印刷高度均匀，在制造相同效率电池的情况下， 净节省 20%左右的银浆。

6.2.2、非接触式

激光转印

激光图形转印技术（PatternTransferPrinting，简称：PTP）是一种新型的非接 触式的印刷技术，该技术在特定柔性透光材料上涂覆所需浆料，采用高功率激光 束高速图形化扫描，将浆料从柔性透光材料上转移至电池表面，形成栅线。 激光转印能够突破传统丝网印刷的线宽极限，轻松实现 25um 以下的线宽，且 印刷高度一致性、均匀性优良，误差在 2um。作为非接触式印刷，可以避免挤 压式印刷存在的隐裂、破片、污染、划伤等问题。 激光转印包括两个步骤：填充过程和转移过程。 填充过程：使用的是带有压花沟槽的透明聚合物薄膜，通过两个具有不同倾斜度 的金属吸水扒胶条将浆料填充到沟槽中。 转移过程：将充满沟槽的薄膜旋转 180°并移至打印位置，电池片放置在薄膜下 方 200μm 处，依次使用波长为 1070nm 的激光照射。 激光辐照通过透明膜，其能量首先被糊剂表面吸收。产生的热能使浆料和沟槽之 间的界面区域中的有机成分汽化，并在浆料/薄膜界面处形成高压蒸汽层。当在 浆料/薄膜界面处建立足够的压力时，浆料会释放到基材表面上。

无主栅（SWCT）技术

无主栅技术（SmartWire Connection Technology，简称 SWCT）由加拿大 Day4 能源公司发明，由梅耶博格开发和工业化，并于 2013 年正式发布。其关键技术 在于使用铜线（由锡合金包覆）代替传统主栅，并将铜线嵌于聚合物薄膜之上， 同时实现了细栅电流汇集传输和电池片连接，从而完成对主栅和焊带的替代。

SWCT 技术的优势： 1、提效，原理同 SMBB 技术。首先，SWCT 技术中用细线代替主栅，相比 SMBB 技术，主栅数量进一步增多，通过缩短细栅电流传输距离，增加电流收集能力从 而实现提效。其次，SWCT 技术采用圆丝铜线，较传统主栅增加了入射光利用率。2、降本，实现主栅去银化。SWCT 技术中采用圆铜线（锡合金包覆），实现了 主栅去银化。第一代 SWCT 技术使用铟锡合金，第二代技术使用铋锡合金，成 本进一步降低。同时由于主栅（圆铜线）数量增多，细栅宽度有望实现进一步下 降。根据 CSEM 数据，相比传统丝网印刷技术，SWCT 技术可以将银耗量降低 85%。 3、免焊接，在层压过程中实现接触。SWCT 技术中不但省去了主栅印刷，还省 去了焊带焊接过程，在层压过程中实现圆铜线与细栅的接触。铟锡合金的熔点为 120℃，铋锡合金的熔点为 138℃，因此层压温度低于 140℃即可实现熔融接触。4、可靠性。一方面，同 MBB 技术类似，更细密的网格提高了电流的收集能力， 即对电池片隐裂、断栅、破裂等容忍度更高。另一方面，SWCT 技术对电池片施 加的应力更小，这归功于低温工艺和灵活细线，可有效减少电池片边缘翘曲。

铜电镀

铜电镀实现量产后，有望彻底替代银浆的使用，从而实现有效降本。铜电镀工艺 整体分为图形化和金属化两大环节。 图形化环节： 种子层的核心作用是改善 TCO 的附着力，通常采用镍或镍-铜合金。但镀制的种 子层需要在完成电镀后，进行种子层的回蚀，增加了供需，影响了工艺的量产性。 目前可选择的方法有选择性种子层沉积或无种子层工艺。2022 年 9 月，迈为 &SunDrive 双面微晶无种子层直接电镀效率 26.41%。 图形化的核心环节在于制备选择性沟槽，以便进行下一步电镀环节，目前常见的 方法有曝光显影和激光开槽两种。

金属化环节： 核心为电镀环节。根据罗博特科公告，目前市面上比较主流的主要是垂直升降式 电镀、垂直连续电镀、水平电镀三个方向。垂直电镀在 PCB 领域应用广泛，但 缺点在于自动化水平较低；水平电镀自动化程度高，可长时间稳定工作，但技术 要求高，长期为国外垄断。 东威科技光伏电镀路线为垂直电镀，同时掌握水平电镀技术（主要用于 PCB 领 域），公司水平电镀技术为国内首创；罗博特科的方案区别于垂直升降式电镀、 垂直连续电镀、水平电镀三种方案；捷得宝光伏电镀路线为水平链式。根据公告 和官网信息，东威科技和捷得宝设备产能均达到 6000 片/小时。

铜电镀有望成为光伏电池金属化终极方案。原因在于该技术路线不但可以有效实 现降本，而且对光伏电池效率提升亦有帮助。 从栅线形貌来看，铜电镀可以将栅线宽度降至 15μm，高 26μm，外观更加平直。 从接触部位微观结构来看，铜电镀的接触部位较银浆印刷烧结工艺更致密，空隙 更少。

目前金属化工艺包括丝网印刷、钢板印刷、激光转印、无主栅、铜电镀等，预计 未来 5 年内丝网印刷工艺仍将占据主流地位。 关键假设： 1）市场占比：根据 CPIA 数据，2022 年丝网印刷的市场占比仍高达 99.9%。由 于高效电池对栅线宽度的要求，各种替代路线兴起，假设 2023-25 年丝网印刷 路线市场占比为 95.5%/89.2%/82.0%，钢板印刷市场占比为 1.0%/2.0%/3.0%， 激光转印市场占比为 1.0%/2.0%/3.0%，无主栅市场占比为 2.0%/5.0%/8.0%， 铜电镀市场占比为 0.5% /1.8%/4.0%； 2）设备单价：假设 2023-25 年丝网印刷机单价为 0.41/0.36/0.33 亿元/GW，激 光转印设备单价为 0.33/0.32/0.30 亿元/GW，电镀铜设备单价为 1.96/1.86/1.77 亿元/GW； 则 2023-25 年丝网印刷机（含钢板印刷）市场空间为 96.7/81.4/74.4 亿元，激 光转印设备市场空间为 2.7/4.5/6.6 亿元，电镀铜设备市场空间为 9.0/28.7/70.8 亿元。

关键假设： 1）假设丝网印刷和钢板印刷采用银浆，激光转印一半采用银浆，一半采用银包 铜浆料，则 2023-25 年银浆路线占比为 97.0%/92.2%/86.5%，非银浆路线占比 为 3.0%/7.8%/13.5%。其中银包铜路线占比为 0.5%/ 1.0%/1.5%，电镀铜路线 占比为 0.5%/1.8%/4.0%； 2）根据 CPIA 数据，2022 年 PERC 电池银耗量 91mg/片（正银+背银），TOPCon 电池银耗量 115mg/片，HJT 电池银耗量 127mg/片，按照 21.0%/22.5%/23.0% 的组件端功率，PERC、TOPCon、HJT 单瓦银耗分别为 13.13/15.48/16.72 mg/W。 随着印刷技术进步，电池单瓦银耗长期呈下降趋势，假设 2023-25 年 PERC 单 瓦银耗 12.86/12.61/12.35mg/W，TOPCon 单瓦银耗 15.17/14.87/14.57mg/W， HJT 单瓦银耗 16.39/16.06/15.74mg/W，其他类型电池平均单瓦银耗同 PERC； 则 2023-25 年高温银浆需求量 5267/6185/6895 万吨，HJT 用低温银浆需求量 359/863/1181 万吨。

关键假设： 1）市场占比：根据 CPIA 数据，2022 年 9 主栅及以上技术市场占比为 100%， 其中 9BB 占比 34%，10BB 占比 34.2%，11BB 及以上占比 31.8%。假设 2023-25 年 9BB 以上技术市场占 比为 70%/72%/74%，无 主栅技术市场占比为 2.0%/4.0%/6.0%； 2）设备单价：随着主栅数量增加，对准精度要求提升，串焊机单价提升。假设 2023-25 年普通串焊机单价为 1900/1850/1800 万元/GW，多主栅串焊机单价为 1995/1943/1890 万元/GW，SMBB 串焊机单价为 2052/ 1998/1944 万元/GW， 无主栅串焊机单价为 2090/2035/1980 万元/GW。 则 2023-25 年串焊机市场空间为 56.4/65.1/65.5 亿元。

7、 激光的应用：沿着功率曲线，寻找用武 之地

1）标准光照下，主要功能：光注入

异质结电池在经过光照后，会出现效率提升的现象。可能的原因在于，通过升温 激活 SiNx 中的 H 原子，通过光照控制 H 原子的价态，使 H 原子在发射极和基 底与复合中心结合，最终实现良好的钝化效果。 在光源方面，可以选择激光或 LED。

根据余友林《硅异质结太阳电池光注入性能增益分析》数据，异质结太阳电池在 1-sun 标准光强下入光面顺序为正面-背面-正面时，效率出现两次提升。 首次进行正面光注入时，电池效率在 1h 内达到稳定，所产生的绝对效率增益为 0.22%。接着进行背面光注入，电池在 2h 光注入后重新达到稳定，累计产生的 绝对效率增益为 0.42%。最后再次进行正面光注入 1h 后，电池性能无明显变化。

2）激光功率 30W/mm2，主要功能：加热，应用领域：SE、硼扩

不管是硼扩还是磷扩，都会在硅基体表面形成硼硅玻璃/磷硅玻璃，然后以硼原 子或磷原子的形式向硅基体扩散。 而扩散掺杂的本质是原子的热运动，因此利用激光的精准特性实现对硼硅玻璃/ 磷硅玻璃实现线性加热，从而实现 SE（选择性掺杂）的作用。 在 PERC 时代，激光 SE 已成为产线标配。在 TOPCon 电池领域，由于硼在硅的 固溶度低于磷，掺杂难度更高，在推进时需求更高的能量，即采用功率更高的激 光器。但功率过高时，容易对绒面产生损伤。 目前行业内激光硼扩 SE 已实现突破。2022 年 10 月，晶科能源 182N 型高效单 晶硅电池技术全面积电池转化效率达到 26.1%，效率的提升主要依靠界面缺陷 修复、高透多晶硅膜以及激光 SE 基础的超细金属电极等多项适用于大尺寸的先 进技术。我们认为，激光 SE 技术是 TOPCon 电池转换效率从 25.5%向 26%效 率平台迈进的关键技术。 设备层面，主要有海目星、帝尔激光、英诺激光、杰普特、大族激光。

3）激光功率 10kW/mm2，主要功能：融化和气化，应用领域：激光开槽、消融

激光开槽是 PERC 电池必需的工艺。为了实现载流子传输，需要对钝化膜 Al2O3 进行开槽，从而满足金属化需要。开槽后丝印铝浆，铝浆与硅基体接触处形成局 部铝背场（LBSF），一定程度上抵消了金属与硅基体接触带来的复合效应。激光开槽的图形经过改进，由最初连续线型图案改为不连续短线图案。有研究表 明，采用不连续短线作为开槽图案，当工艺控制虚实比为 1:2 时，电池输出性能 最佳。

4）激光功率 1MW/mm2，主要功能：气化，应用领域：激光转印

激光通过透明膜，照射在事先固定在薄膜中的银浆上。其产生的热能使浆料和沟 槽之间的界面区域中的有机成分汽化，并在浆料/薄膜界面处形成高压蒸汽层。 当在浆料/薄膜界面处建立足够的压力时，浆料会释放到基材表面上。

5）激光功率 10MW/mm2，主要功能：气化和电离，应用领域：电池片划片

随着半片工艺在电池片封装中的应用，激光划片（切割）得到推广。激光划片主 要分为有损划片和无损划片。 有损激光切割：以激光烧蚀配合机械掰片，首先利用激光在电池的背面加工出一 条贯穿表面深度 40-60%的切割道，再采用机械法将电池片沿着切割道掰开； 无损激光切割：为激光自动低温切割电池片，不存在切割区，通过温度差进行自 然裂片，无机械裂片环节，无激光加工的残留痕迹。

第一代无损划片采用冷却法。通过激光加热太阳能电池片后，再通过冷却喷头喷 水冷却，热应力使电池片自然裂开，实现电池片无损伤切割。 最新一代的无损划片技术取消了冷却喷头，因此也叫无水无损划片。根据大族激 光披露的内容，主要利用超快激光短脉宽、高峰值功率特性，使材料在极短的时 间内达到预定的温度，并且利用脉冲激光高重频特性使热量在消散之前重新聚集，不断累积的能量形成合适的温度梯度场，进而产生热应力诱导裂纹形成和扩展， 在无需液体冷却的情况下实现电池片的应力切割。

6）激光功率 10GW/mm2，主要功能：升华和直接分解，应用领域：MWT 打孔、 玻璃打孔

当激光功率进一步增大，可以对被作用物体直接进行打孔，或切割。 激光打孔在光伏领域的应用主要有两种情形： 1、MWT 电池。MWT（MetalWrapThrough，金属穿孔卷绕）是一种将电池的 正负电极均制备在电池的背面（背接触，backcontact）的技术，采用激光打孔、 背面布线的技术消除了正面电极的主栅线，仅保留正面细栅线，其搜集的电流通 过孔洞中的银浆引到背面，使得电池的正负电极点都分布在电池片的背面。 2、光伏玻璃打孔。主要用于在双玻组件的背板玻璃上制备出线孔。由于激光打 孔具有良率、效率、成本方面的优势，逐步替代机械打孔成为主流路线。

8、 当前时点：TOPCon 扩产具备确定性， HJT 到了降本关键节点

根据我们对新技术投资的三阶段划分： 第一阶段：市场关注“概念”与“认知提升”，重点指标为技术的先进性与量产 可行性。对于改变产业链利润分配的重大技术变化，一般呈现一级市场与二级市 场共振的局面； 第二阶段：市场关注“兑现程度”，重点指标为先行者的盈利情况。量产顺利的 情况下，新技术会带来超额收益。此时量产能力作为检验企业技术实力与执行落 地能力的标准，“兑现”的企业会获得进一步的关注； 第三阶段：在超额收益的吸引下，以及先行企业技术扩散的带动下，大批社会资 本开始进入新技术投资。此时重点指标为技术的可复制性，也是检验新技术壁垒 的重要时期。对于技术壁垒高、依赖企业综合实力而非个别员工的领域，技术扩 散的技术会相对较慢，先行企业获得超额收益的时间会拉长。

当前时点，TOPCon 正处于第二阶段向第三阶段过渡的时期，晶科、捷泰等先行 企业已获得超额收益的验证，并吸引资本加速进场。根据我们不完全统计，截至 2022 年 12 月底，TOPCon 已投产 71.65GW，在建 209W，规划待建 215GW。 HJT 则仍然处于第一阶段向第二阶段过渡的时期。尽管华晟新能源、金刚光伏、 爱康科技等已有 GW 级的产业投产，但受制于 HJT 成本劣势，组件产品仍局限 于部分对价格接受程度高的细分市场。据我们不完全统计，截至 2022 年 12 月 底，HJT 已投产 10.38GW，在建 88.4GW，规划待建 111.14GW。

而制约 HJT 降本的最大环节，正是金属化环节。由于低温银浆的天然特性，目 前单耗仍处于较高水平（150mg/片），加上低温银浆进口比例高，反映到银浆 单瓦成本上，HJT 为 0.12 元/W，TOPCon 为 0.08 元/W，PERC 为 0.05 元/W （截至 2022 年 11 月底）。 能否如期实现 HJT 银耗降低，成为 HJT 走向量产的决速步。我们关注 2022 年 底至 2023 年初银包铜+0BB 的实际应用情况，理想情况下可以将银浆成本降至 0.05 元/W 附近，实现与 PERC 打平。

编辑：黄飞