光伏薄膜沉积设备:市场规模将破百亿,国产设备厂商开始发力

薄膜沉积是指在基底上沉积特定材料形成薄膜,使其具有光学、电学等特殊性能。

按原理不同,薄膜沉积可分为物理气相沉积(Physical Vapor Deposition,简称PVD)、化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition,简称CVD)和原子层沉积(Atomic Layer Deposition,简称ALD)。

其中,光伏薄膜沉积设备主要应用于太阳能晶硅电池片的制造环节,伴随光伏电池由P型向N型的升级,TOPCon所采用的薄膜沉积设备投资占比将从25%提升至35%左右,HJT投薄膜沉积设备投资金额占比更是高达50%。招商证券预计2022年光伏薄膜沉积设备市场空间约为66亿元,2023年有望超百亿元。

1.PVD:适用于钙钛矿的多个环节

PVD主要包括真空蒸镀(Vacuum Evaporation)、磁控溅射(Magnetron Sputtering)、电弧离子镀(ArcIon Plating/Deposition)三种方法。其中,真空蒸镀和磁控溅射是较为常见的两种方法。

真空蒸镀法又称真空镀膜,是在真空环境中对有机发光材料加热,使之气化后粒子沉积到基片表面成膜的工艺,也是PVD技术中发展最早、应用较为广泛的镀膜技术。

从光伏电池的应用情况来看,链式多腔PVD真空镀膜设备主要应用于HJT的第三道生产工序。通过磁控溅射技术或RPD(离子反应镀膜)技术,在非晶硅钝化异质结电池正背面沉积TCO透明金属氧化物导电膜,主要为75-80nm厚的ITO氧化铟锡膜,用于纵向收集载流子并向电极横向传输,同时减少入射光学反射。

得益于蒸镀在大面积薄膜制备上具有优势,且适用于TCO玻璃基板层、空穴传输层、钙钛矿层等多项镀膜环节,有望成为钙钛矿的主流镀膜技术。

2022年11月,奥来德(688378.SH)发布公告称,拟使用超募资金4900万元投资建设新项目,其中包括2900万元的钙钛矿结构型太阳能电池蒸镀设备的开发项目。该项目将用于钙钛矿太阳能电池工艺的薄膜的制备方法和设备,打破进口依赖,实现自主可控。

磁控溅射法是在传统溅射基础上,利用磁场提高溅射效率,使入射粒子不断轰击ITO靶材,将靶材原子溅射出来并沉积到衬底表面,进而实现TCO导电薄膜的制备。该方法的优势在于设备成本低,工艺稳定、具有更快的薄膜沉积速率,而且能满足大规模产业化要求。

磁控溅射作为一种成熟的薄膜制备技术,在制备钙钛矿电池方面具备较大的应用潜力。与真空蒸镀技术相似,磁控溅射也出现在钙钛矿电池空穴传输层、电子传输层、背电极等多个环节。

此前,北京大学邹德春教授提出,通过磁控溅射制备了高质量钙钛矿薄膜,实现成分可控,无溶剂,大面积和批量生产。实验结果表明,通过磁控溅射制备的钙钛矿薄膜的功率转换效率(PCE)为6.14%。

现阶段,PVD设备的价值量较高。板硝子(日本玻璃制造商)欧洲技术中心报告显示,一条光伏用TCO镀膜玻璃的磁控溅射产线(包设备)投资约4000万美元。

相关设备厂商中,海外进程较为领先。

德国的冯·阿登纳(Von Ardenne)拥有超过50年的电子束工艺经验以及40余年的磁控管技术能力,是薄膜光伏领域玻璃镀膜系统和设备的领先供应商之一;美国应用材料(Applied Materials)在公司成立之初就专注于薄膜淀积领域,据悉,其产品占近55%的全球PVD设备市场。

国内方面,京山轻机(000821.SZ)2022年8月,在投资者互动平台表示,公司目前的PVD设备主要运用于光伏TOPCon电池片以及钙钛矿薄膜电池的生产环节。

钧石能源自研的PVD可进行双面ITO薄膜沉积,已在福建金石100MW和钜能500MW两条中试线运行。

捷佳伟创(300724.SZ)自主研发的正面RPD、背面PVD的二合一设备,兼顾了PVD路线与RPD路线的低成本与高效率特点。

2.CVD:同时适配TOPCon、HJT

CVD指真空状态下,利用热能、等离子体或光能等能源,生成固态薄膜的一种制膜方式。该技术类型最明显的优点是能够在形状复杂的工件表面均匀沉积薄膜,同时薄膜中缺陷少。

CVD主要包括LPCVD(Low-Pressure CVD,低压化学气相沉积法)、PECVD(Plasma Enhanced CVD,等离子增强化学气相沉积法)、HWCVD(Hot-Wire CVD,热丝化学气相沉积)三种技术类型。

其中,根据多晶硅生长的设备不同,TOPCon以LPCVD和PECVD技术为主。HJT则以HWCVD和PECVD技术为主。

2.1 LPCVD:量产良率达98%

LPCVD是将制备薄膜所需的气态物质在27-270Pa的较低压力下,用450-900的热能激活,使其发生热分解或者化学反应,最终形成多晶硅薄膜。

该技术能够使低压下薄膜生长速率能获得更好地控制,薄膜台阶覆盖性、均匀性较好,但精准控制的代价是LPCVD的成膜速率慢。

2022年上半年以前,TOPCon投产产线以LPCVD技术为主。LPCVD路线已经过多年量产检验,产线当前已实现98%的量产良率,且成膜质量高。

根据广发证券统计,2023年新建TOPCon电池产线预计将于2023年上半年集中落地,由于晶科能源(688223.SH)、钧达股份(002865.SZ)均于2022年四季度前实现满产,LP路线头部厂商的TOPCon电池投产节奏较行业平均水平领先6-9个月。

但是,LPCVD技术仍面临绕镀明显、原位掺杂技术难度高、产能较其他技术路线低等痛点,仅头部少数企业解决了绕镀及石英舟耗费较大的问题。

国家知识产权局数据显示,晶科能源在绕镀、掺杂和石英舟等LPCVD技术痛点方面均取得了技术突破。

设备方面,微导纳米(688147.SH)研发了光伏领域的ALD、PECVD、PEALD、扩散等多种设备,推进AEP技术为核心的TOPCon电池工艺整线,可提供TOPCon设备价值量提升至产线投资额的40%-50%。

北方华创(002371.SZ)的LPCVD设备满足TOPCon电池制备需求,同时可满足大尺寸硅片及高产能需求,目前广泛应用于新能源光伏电池制备工艺中。

拉普拉斯(由多位海内外半导体设备领域高端人才创立的高科技高端装备研发制造企业)最新的低压水平化学气相沉积镀膜设备可应用于N-TOPCon电池的隧穿氧化层与非晶硅生长工艺,为下一代高效N-TOPCon电池的核心工艺设备。

2.2 PECVD:良率逐步向LPCVD靠拢

PECVD是通过外部增加的电场作用于系统内参与反应的气体,使气体电离产生辉光放电效应,从而可以在基体上高速沉积薄膜,是CVD中最大的细分市场。

在TOPCon的应用当中,PECVD与LPCVD一样,可兼容现有PERC产线,并且有望克服LPCVD技术方面的不足之处。

不同于LPCVD的成膜速度慢、绕度明显,PECVD非晶硅沉积速率快,可实现原位掺杂,将沉积工艺总时间控制在35分钟以内。虽然PECVD也会在硅片侧面及电池正面边缘区产生轻微的绕度区,但是易于去除。此外,PECVD的非晶硅仅沉积在石墨舟上,可定期清理,无需石英管耗材。

不可否认的是,PECVD还存在爆膜问题,且产线需要熟练生产人员经一定时间调试才可实现最佳状态,因此实际的良率和转换效率据理想状态还存在一定差距。目前采用PECVD路线的电池厂商有通威股份(600438.SH)、晶澳科技(002459.SZ)、天合光能(688599.SH)等。

综合来看,LP与PE路线新建产线设备投资额较为接近,分别为0.17元/W、0.166元/W。中长期来看,随着PE路线良率逐步向LP靠拢,两种路线TOPCon电池非硅成本差距将持续缩小;长期来看,不同技术路线对TOPCon厂商生产成本的影响将同样变小。

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