财富研究产业掘金：光伏技术系列1：Topcon性价比优势凸显，量产加速渗透率高增

TOPCon电池建立在PERC电池的基础架构上，将衬底由P型转换为N型，并形成了背面钝化接触结构。一方面，N型半导体少子寿命更高，无硼氧复合，并且对金属污染宽容度更高。另一方面，隧穿氧化层提供了良好的化学钝化性能，很大程度上降低了界面复合，并且允许多数载流子有效地隧穿通过到掺杂多晶硅层。掺杂的多晶硅层与基体形成n+/n高低场，可以有效阻止少数载流子运动至表面，形成选择性钝化接触。 TOPCon电池的核心工序存在多条技术路线。氧化层钝化接触制备为TOPCon在PERC的基础上增加的工序，也是TOPCon的核心工序，主要有4种技术路线，分别为LPCVD本征+磷扩，LPCVD离子注入，PECVD原位掺杂，PVD原位掺杂。LPCVD工艺路线当前较为成熟，其原理是在低压高温状态下使气态化合物发生分解，进而沉积在衬底表面形成所需薄膜。，而PECVD、PVD可以解决绕镀问题，优缺点各异。 TOPCon较其他各类电池优势明显，主要包括高效率，高发电量，与PERC产线的高兼容度。高发电量方面，晶科能源产品白皮书披露，N型TOPCon电池双面率可以达到85%，较PERC 70%左右的双面率明显提高，折算至综合效率端大致形成1pct左右的效率优势。在兼容度方面，大部分的TOPCon产线可以从PERC产线升级得来，极大降低设备投资成本。此外，TOPCon产线延长了PERC产线生命周期，有助于降低折旧费用。TOPCon和PERC产线均为高温工艺，且TOPCon技术最大程度保留和利用了现有传统P型电池设备制程。 TOPCon电池理论转换效率领先各类电池，极限效率可达到28.7%。 从理论极限效率来看，根据权威测试机构德国哈梅林太阳能研究所（ISFH）测算，TOPCon电池的理论极限效率达到28.7%，高于HJT的27.5%和PERC的24.5%，且最接近晶体硅太阳能电池理论极限效率29.43%。根据隆基最新测算，TOPCon电池理论极限效率维持28.7%，HJT理论极限效率提升至28.5%，仍小幅低于双面TOPCon极限效率。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ISFH在实验室的最高效率已经达到26.1%。 风险提示：TOPCon技术进展不达预期；全球光伏需求不达预期；原材料价格上涨。 1.TOPCon电池以N型为衬底，形成背面钝化结构 N型TOPCon（隧穿氧化层钝化接触，Tunnel Oxide Passivated Contact）电池建立在PERC电池的基础架构上。包含两大差异：一将衬底由P型换为N型，N型半导体少子寿命高，无硼氧复合，同时对金属污染宽容度更高；二在背面结构中，先增加1- 2nm 的隧穿氧化层 SiOx ，再沉积一层掺杂多晶硅n polySi，形成背面钝化接触结构。隧穿氧化层提供了良好的化学钝化性能，大幅降低了界面复合，并且允许多数载流子有效地隧穿通过到掺杂多晶硅层。掺杂的多晶硅层与基体形成n + /n高低场，可以阻止少数载流子运动至表面，从而形成选择性钝化接触。 图1TOPCon电池结构建立在PERC电池基础架构上 图2TOPCon电池结构具有超薄隧穿层 2.TOPCon工艺流程与PERC兼容 从工艺流程来看，TOPCon相较传统的PERC电池增加了硼扩散、氧化层钝化以及掺杂多晶硅层沉积。主要包含以下一系列流程。 清洗制绒：去除表用由于切割造成的损伤并形成表面金字塔陷光结构、增加光线吸收，并提升少子寿命。 图3捷佳伟创的最新清洗制绒设备 硼扩散：制备PN结，由于硼在硅中的固溶度低，因此需要高温和更长的时间进行扩散。同时，扩散源的选择对生产过程也会有影响，氯化物腐蚀性较强，溴化物黏性大，清洗过程繁琐、增加运维费用。 掺杂：主要目的是形成重掺杂区，提高光电转换效率。发射极掺杂对太阳电池转换效率影响较大，高浓度掺杂降低硅片与电极的接触电阻，进而减小电池的串联电阻，但会导致载流子复合变大、降低少子寿命降低，影响电池的开路电压和短路电流，而低浓度掺杂则相反。激光SE可提效0.3-0.4%，且PERC电池已普遍使用激光SE工序，电池生产商与设备制造商均有一定积累，可能是主要路线。 刻蚀：去除BSG和背结。扩散过程会在硅片表面及周边均形成扩散层，周边扩散层容易形成短路，表面扩散层影响后续钝化，因此需要去除。 目前刻蚀主要采用湿法，先在链式设备中去除背面与周边扩散层，之后处理正面。 制备隧穿氧化层与多晶硅层：背面沉积1- 2nm 隧穿氧化层，之后沉积60- 100nm 多晶硅层形成钝化结构。TOPCon钝化层制备方式较多，主要分为LPCVD、PECVD、PVD路线等，目前以LPCVD为主，PECVD具备较强潜力。 制备背面减反射膜：在电池背面制备减反射钝化膜层增加对光的吸收，同时，在SiNx薄膜形成过程中产生的氢原子对硅片具有钝化作用。 正面镀氧化铝：在硅片正面沉积一层氧化铝膜层，与其他膜层共同形成正面钝化作用。 制备正面减反射膜：与背面作用基本相同，此外，正面沉积的氧化铝薄膜非常薄，容易在后续电池组件的制作中被破坏，正面SiNx对氧化铝也具有保护作用。 丝网印刷：通过丝网印刷制备前后电极。 烧结：通过高温烧结形成良好的欧姆接触。 自动分选：对不同转换效率的电池片进行分档。 3.TOPCon四条技术路线各具优势 TOPCon电池的核心工序存在多条技术路线。氧化层钝化接触制备为TOPCon在PERC的基础上增加的工序，也是TOPCon的核心工序，主要有4种技术路线： 图4以氧化层钝化制备为核心的工艺流程 （1）LPCVD本征+磷扩。利用LPCVD设备生长氧化硅层并沉积多晶硅，再利用扩散炉在多晶硅中掺入磷制成PN结，形成钝化接触结构后进行刻蚀。 （2）LPCVD离子注入。利用LPCVD设备制备钝化接触结构，再通过离子注入机精准控制磷在多晶硅中的分布实现掺杂，随后进行退火处理，最后进行刻蚀。 （3）PECVD原位掺杂。利用PECVD设备制备隧穿氧化层并对多晶硅进行原位掺杂。 （4）PVD原位掺杂。利用PVD设备，在真空条件下采用溅射镀膜，使材料沉积在衬底表面。 LPCVD为最为成熟的技术路线，而PECVD、PVD可以解决绕镀问题，优缺点各异。LPCVD工艺路线当前较为成熟，其原理是在低压高温状态下使气态化合物发生分解，进而沉积在衬底表面形成所需薄膜。工艺控制简单容易，成膜的均匀性好、致密度高，但成膜速率较慢，需要高温，且石英件沉积较为严重，而普遍存在的绕镀现象需要额外引入刻蚀设备解决，进一步增加了工艺复杂度。 图5LPCVD通过分解气态化合物形成薄膜 相较于LPCVD使用热能激活，PECVD利用微波、射频等含有薄膜组成原子的气体形成局部等离子体，凭借等离子气体的高活性在衬底表面沉积所需的薄膜。其优势是成膜速率很快，绕镀很小，但钝化膜的均匀性难以控制，并可能存在气泡，从而导致钝化效果不佳。 不采用CVD的化学沉积，PVD采用物理沉积，不存在绕镀现象，且成膜速率快，但是目前工艺较不成熟，所需设备价格昂贵，靶材用量很大，且方阻均匀性差，生成的电池质量不稳定。 表1不同技术路径的优缺点对比 4.主要优势 4.1.TOPCon发电效率高，未来提效空间大 TOPCon电池的核心工序存在多条技术路线。氧化层钝化接触制备为TOPCon在PERC的基础上增加的工序，也是TOPCon的核心工序，目前主要有4种技术路线：TOPCon电池基于N型衬底的，少子寿命更长，隧穿氧化层的选择性透过能力大幅减少载流子复合造成的损失，同时配合SMBB等工艺减少正面栅线阻挡，TOPCon电池效率较PERC有1pct以上的优势。 且TOPCon电池正处在产业化的初期，提效幅度大，速度快。CPIA统计显示，2018年以来TOPCon电池效率提升2.5个百分点，同期PERC提效幅度为1.3个百分点，PERC电池在周期中后段接近理论极限，提效进程明显不及TOPCon。而TOPCon量产效率与超过28%的理论极限仍有很大的优化空间，提效路径也更为明确。 4.2.高双面率、低衰减极大提高全周期发电量 晶科能源产品白皮书披露，N型TOPCon电池双面率可以达到85%，较PERC 70%左右的双面率明显提高，折算至综合效率端大致形成1pct左右的效率优势。同时由于N型衬底少子寿命更长，受杂质影响小，同时基本上消除了硼氧复合造成的LID，TOPCon组件首年衰减优化至1%，年衰减幅度较P型明显减少，且弱光表现更好，温度系数更优，提升全生命周期发电量。实例测算全周期发电量优势达到4-5%。 图6 N型电池双面率高 4.3.TOPCon兼容并延长PERC产线的生命周期 TOPCon电池和PERC电池的技术和产线设备兼容性高。从设备来看，大部分的TOPCon产线可以从PERC产线升级得来，极大降低设备投资成本。此外，TOPCon产线延长了PERC产线生命周期，有助于降低折旧费用。TOPCon和PERC产线均为高温工艺，且TOPCon技术最大程度保留和利用了现有传统P型电池设备制程，主要新增的设备包括：多晶硅/非多晶硅沉积的LPCVD/PECVD/PVD设备、硼扩散设备等。 图7TOPCon电池与PERC电池工艺流程兼容性 目前TOPCon技术的产能释放最具性价比。从设备投资额来看：1）新建：根据中国光伏行业协会统计，2021年TOPCon电池线设备投资成本约2.2亿元/GW，略高于PERC电池的1.94亿元/GW，但较其他N型电池更具经济性；2）改造：根据拉普拉斯披露，电池产线从PERC升级至TOPCon单GW投资成本在5000~8000万元左右。目前TOPCon产能大都为新建产线，很少从PERC产线升级而来，主要原因系1.新建产线可以自由选择产能最大、性能最优的设备，在产能方面更具优势； 2.并非所有PERC产线均可以进行改造；3.待新建产线经济效益显现后，再估算老线改造的性价比更为合理。从折旧费用来看，在面临大规模PERC产线设备资产折旧计提的条件下，改造为TOPCon产线将拉长设备的使用周期，降低折旧费用。从设备投资角度来看，TOPCon技术产能释放较其他N型技术更具性价比。 5.TOPCon电池转换效率领先，高达28.7% TOPCon电池理论转换效率领先各类电池，极限效率可达到28.7%。从理论极限效率来看，根据权威测试机构德国哈梅林太阳能研究所（ISFH）测算，TOPCon电池的理论极限效率达到28.7%，高于HJT的27.5%和PERC的24.5%，且最接近晶体硅太阳能电池理论极限效率29.43%。根据隆基最新测算，TOPCon电池理论极限效率维持28.7%，HJT理论极限效率提升至28.5%，仍小幅低于双面TOPCon极限效率。 图8TOPCon电池转换效率 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ISFH在实验室的最高效率已经达到26.1%。从实验室研发效率看，天合光能等龙头公司实验室效率均超25%，晶科能源最高达到25.7%。从目前TOPCon量产的情况看，晶科等龙头公司平均量产效率分布在24.3-24.6%，最高效率达到25%，具备大规模产业化达到25%以上的效率潜力。随技术推进，TOPCon在未来2-3年的竞争力将越来越明显。 表2Topcon电池效率有望达到28%以上 6.TOPCon提升空间：控制非硅成本，提升良率 非硅成本方面，可以通过使用多主栅技术或使用银铝浆替代银浆来降低成本。根据Solarzoom，TOPCon电池成本结构中，主要包括硅片、银浆、水电和折旧，分别占总成本比重的62%、16%、6%和4%。目前TOPCon的成本仍显著高于PERC电池，主要原因系新增的工艺设备和高双面率导致银浆耗量提升。 PV Info Link显示，截至2021年底，TOPCon电池的非硅成本已经有能力低于0.3元/瓦，对