新兴能源行业专题研究：BC电池异军突起，先发龙头享受技术红利

维持行业“增持”评级。我们认为，光伏产业发展的核心驱动力是度电成本不断下降，降本增效是产业的恒久追求，新一代电池技术有望快速崛起。当前BC电池受到行业龙头认可度高，产业趋势有望加速，建议投资者把握光伏电池新技术投资机会。 新一代电池技术变革来袭，BC电池效率领先有望异军突起。当前光伏PERC电池已呈现效率和成本优化疲态，新电池技术道路的选择与部署已箭在弦上。BC电池将其发射极、表面场和金属电极都做在背面，并交叉指式分布，电池正表面无任何栅线遮挡，最大限度地利用入射光，减少光学损失，带来更多有效发电面积，拥有高转换效率，且外观上更加美观。 BC电池是目前商业化晶体硅电池中工艺最复杂、结构设计难度最大的电池，核心工艺在于PN结制备、钝化镀膜以及金属化栅线，其中制备背部PN节需要图形化技术，需多次掩膜和光刻技术，对gap区域需非常精准。此外还需添加钝化结构提升少子寿命。当前BC电池组件效率优势显著，稳居晶硅电池最高效率记录，技术门槛高，仅有4家企业掌握核心技术。从效率提升路径来看，BC是电池结构创新，核心工艺在于将发射极、表面场和金属电极做在电池背面。与常规电池路线，基于钝化结构创新的路线区分不同，因而可实现工艺叠加优化，实现效率的更高突破。 BC电池量产提速，先发龙头受益技术红利。2022年BC类电池组件全球出货超1 GW，主要由TCL中环参股子公司Maxeon贡献。2023年国内龙头企业开始加速布局BC电池路线。隆基绿能全面转向BC路线，预计至23年底，公司30GW HPBC产能将全部扩产，并规划HPBC Pro产品路线；MAXEON已推出IBC平台超30年，并推出7代技术，目前公司拥有IBC产能超1GW，并计划在菲律宾新增500MW电池产能；爱旭股份推出新一代ABC电池组件产品，最高转换效率24%，最高功率720W以上，并预计至2023年末将完成珠海首期10GW年产能电池及配套组件项目的建设。此外，伴随IBC电池量产提速，相关激光设备，辅材如绝缘胶、焊带、胶膜等均有望受益。 建议重点关注光伏BC电池路线投资机会：积极布局BC电池路线公司，有望掌握先发优势，推荐爱旭股份、隆基股份、TCL中环。 风险提示。海外贸易保护、汇率波动等风险。 表1:推荐标的盈利预测及估值 1.新一代电池技术变革来袭，BC有望异军突起 1.1.电池技术迭代，驱动光伏降本增效 晶硅电池技术迭代，驱动光伏降本提效。光伏行业技术发展从多晶到单晶、第一代铝背场BSF电池到第二代PERC电池。当前PERC电池呈现效率和成本优化疲态，新电池技术道路的选择与部署已箭在弦上。 N型电池投资提速，产业化进程加速。TOPCon和异质结电池成为现阶段N型电池片扩张的主流方向，目前行业绝大多数企业均有TOPCon产品推出，行业启动大幅扩产，侧面印证TOPCon将成为继PERC后的下一代主流电池技术。而XBC路线因技术难度较大，投产企业相对较少。 图1：各类技术路线光伏电池片产能预估（GW） 图2：各类技术路线光伏电池片产出预估（GW） 1.2.BC电池技术的起源与发展 BC电池（back contact）全称为背接触电池，其基型是IBC电池（交叉指式背接触电池），与其他晶硅电池路线最大不同在于，发射极、表面场和金属电极都做在电池背面，并交叉指式分布，电池正表面无任何栅线遮挡，最大限度地利用入射光，减少光学损失，带来更多有效发电面积，拥有高转换效率，且外观上更加美观。 传统晶体硅太阳电池的发射极和表面场结构一般位于电池两侧，对应的正负金属电极也位于电池正负表面以便于收集从光生载流子分离出的空穴和电子，同时正面由于金属栅线的存在对电池有一定的遮荫损失，造成电池短路电流的降低。一方面为了让太阳电池收集更多光生载流子，另一方面为了避免正面金属半导体接触电阻损失，IBC电池应运而生。 (a)是Schwartz等早在1975年设计的IBC电池二维结构示意图，该电池最大特点是发射极区域和背表面场区域交错地分布在电池背面，发射极和背表面场之间有一个窄的无掺杂间隙，同时在电池背表面覆盖一层绝缘层（一般采用SiO2钝化层或SiO2/SiNx叠层钝化层），再把相应位置的绝缘层刻蚀掉使正负电极分别与发射极和背表面场接触。 (b、c)通过对电池正面结构进行诸如 Al2O3 钝化和黑硅技术等优化，在工艺复杂度不增加前提下对电池背面进行发射极和背表面场绝缘性优化设计，使得IBC电池转换效率能得到进一步提升。1985年，Verlinden等在标准光照下，制备出转换效率为21%的IBC太阳电池；2004年，美国SunPower公司通过采用点接触和丝网印刷技术开发出第一代大面积（149 cm2）转换效率为21.5%的IBC电池；三年后，SunPower公司在原有电池技术的基础上，通过工艺优化和结构改进，研发出平均效率为22.4%能批量生产的第二代IBC电池；2014年，SunPower公司继续在n型Cz硅片上制备出第三代最高效率达到25.2%的IBC电池。 图3：IBC太阳电池研究进展 (b)正面设计有黑硅结构和氧化铝钝化层的、 (c)以及正面有前表面场钝化的三维的IBC太阳电池结构示意图； (d)硅太阳电池实验室效率和SunPower公司大面积IBC电池生产图 1.3.BC电池结构拆解 SunPower提出第一代IBC电池结构，其后基本奠定了IBC电池技术路线的电池结构和工艺框架： （1）电池前表面陷光绒面，无栅线遮挡，避免了金属电极遮光损失，最大化吸收入射光子，实现良好短路电流； （2）电池背面制备呈叉指状间隔排列的p+区和n+区，以及在其上面分别形成金属化接触和栅线；由于消除了前表面发射极，前表面复合损失减少； （3）前表面远离背面p-n结，为了抑制前表面复合，需要更好的前表面钝化方案；同时需要具有长扩散长度的高质量硅片（如N型硅片），以降低少数载流子在到达背结之前的复合； （4）采用钝化接触或减少接触面积，大幅减少背面p+区和n+区与金属电极的接触复合损失； （5）增加前表面场FSF，利用场钝化效应降低表面少子浓度，降低表面复合速率的同时还可以降低串联电阻，提升电子传输能力。 图4：IBC电池横切面结构 IBC电池结构拆解：背面emitter和BSF交替的叉指式结构是IBC电池的关键技术，可以采用掩膜、光刻和激光等技术实现。 基底：由于IBC太阳电池前表面收集的载流子要穿过衬底远距离扩散到背面电极，所以主流的量产IBC电池一般采用少子寿命更高的n型单晶硅衬底。其p-n结位于电池背面，载流子属于二维传输模型。 FSF：在IBC电池前表面设计有磷掺杂的前表面场（Front surface field，FSF），FSF的作用是通过场效应钝化降低前表面少子空穴浓度，从而降低电池表面复合速率，同时还可以降低电池串联电阻，提升电子传输能力，FSF可通过高温磷扩散或离子注入等技术形成； Emitter（发射级，P区）：背面emitter的作用是与n型硅基底形成p-n结，有效分离载流子，emitter可以通过高温硼扩散或旋涂方式制备； BSF（背表面场，N区）：主要是与n型晶硅形成高低结，同时诱导形成p-n结，增强载流子分离能力，BSF也可以通过高温磷扩散或离子注入等形成； 1.4.BC电池工艺流程 IBC电池正面工艺，主要为前表面钝化扩散和基材选择。 前表面：由于IBC电池前表面没有金属栅线遮挡，所以前表面的钝化性能需要足够优异才能最大化发挥IBC电池的结构优势。 IBC太阳电池正面采用金字塔结构和抗反射层改善光捕获效果，钝化层底下可通过扩散方式形成前表面场(FSF)或者p型浮动结(FFE)结构。 1）当采用FSF结构时，在电池前表面进行磷掺杂，电池上表面n+/n高低结能够充当电场，排斥前表面的少数载流子，从而减少了前表面载流子的复合，有利于IBC太阳电池光电转换效率的提升。该结构的特点是在电池前表面形成较高浓度的掺杂，与高电阻率的硅衬底形成高低结，产生自上而下的电场，驱使少数载流子(空穴)向下输运，多数载流子(电子)向上输运，从而降低少数载流子的表面复合，起到良好钝化作用。 2）当采用FFE结构时，在电池前表面进行硼掺杂，电池表面形成p+/n结，p型FFE将向衬底中注入一定浓度的少子空穴，通过增加衬底中的少子空穴浓度来提升电池的短路电流密度。该钝化结构的特点是在IBC电池背表面场(BSF)以上区域产生的少数载流子(空穴)先被输运到发射极上方对应的前表面区域，由于前表面和背表面浓度梯度差的关系，空穴再被垂直输运到发射极区域而被收集，多数载流子(电子)则被垂直输运到背表面场区域被收集。 基材：由于IBC太阳电池前表面收集的载流子要穿过衬底远距离扩散到背面电极，所以主流的量产IBC电池一般采用少子寿命更高的n型单晶硅衬底。 图5：FSF和FFE结构的IBC太阳电池空穴电流模拟图 IBC背面工艺：在IBC太阳电池的工艺优化中，叉指状的p+和n+区结构是影响电池性能的关键。优化p+区占比、减小金属接触面积有利于IBC太阳电池性能的提高。 p/n区制备：IBC太阳电池背面一般可采用印刷源浆、光刻、离子注入或激光掺杂等方式形成叉指状的p+区和n+区。 1.印刷源浆方式进行p+区和n+区掺杂具有成本优势，且工艺简单，但易造成电池表面缺陷，掺杂效果难以控制，尚未应用于IBC太阳电池。 2.光刻技术具有复合低、掺杂类型可控等优点，但工艺过程复杂，工艺难度大。 3.离子注入方式具有控制精度高、扩散均匀性好等特点，但其设备昂贵，易造成晶格损伤。 4.激光掺杂工艺简单，常温可制备，但需要精确对位。 金属化：行业量产多采用丝网印刷和铜蒸镀/电镀两种方式。随着丝网印刷原辅材料和设备的不断优化与更新，IBC太阳电池背面电极的精确对位问题已得到解决，这也给背面设计优化与成本控制提供了很大空间，丝网印刷方式优势逐渐显现。 图6：IBC电池背面结构，PN区交叉指式分布 图7：优化p+区占比有利于IBC电池性能提高 IBC电池是商业化晶体硅电池中工艺最复杂、结构设计难度最大的电池。 核心工艺在于制备PN结、钝化镀膜以及金属化栅线。 主流量产的IBC电池一般采用少子寿命更高的N型单晶硅片作为衬底，前表面采用金字塔结构和抗反射层来增强光的吸收，同时在前表面形成前表面场（FSF），在电池的前表面沉积SiNx/SiO2双层薄膜。在电池背面，IBC电池的N+背场和P+发射极交叉排布在电池背面，在N型硅衬底背面，分别注入掺杂，一定区域注入磷形成N+区，一定区域注入硼形成P+区，然后在衬底背表面淀积一层氧化物钝化层。同时，IBC电池的对应正负电极栅线也交叉排布在电池背面。相较传统太阳能电池，IBC电池的工艺流程较为复杂，其工艺的关键是在电池背面制备出叉指状间隔排列的P+区和N+区，以及在其上分别形成金属化接触和栅线。 IBC对基体材料要求较高，制备背部PN结需要图形化技术，需多次掩膜和光刻技术，对gap区域需非常精准。此外，为了还需添加钝化结构提升少子寿命，对镀膜工艺要求也很高，整体生产成本较高。 图8：IBC电池工艺流程 2.BC效率领先优势明显，技术门槛较高 IBC电池相较其他电池技术路线，具有以下优点： ①电池效率高：电池正面没有金属栅线遮挡，可消除遮光电流损失，实现入射光子的最大化利用，短路电流比常规电池可提升7%左右；由于正面没有电极的接触影响，可以对绒面结构、钝化减反射层进行更精细设计，在增加光吸收的同时减小载流子在正面复合损失，可以提高电池开路电压和短路电路，从而获得更高转换效率的IBC电池； ②栅线可优化程度高：正负金属电极均位于电池背面，不必考虑栅线遮挡问题，可以对金属栅线结构做最大程度优化，例如适当增大栅线宽度、优化栅线形状以降低电池串联电阻，并增强对长波光子的背反射功能，从而提高电池填充因子和短路电流； ③封装简便：背接触电池在组件封装时更方便，完全可以通过自动化操作对组件进行共面相连，不必像传统电池那样，在焊