本篇讲光伏中游电池，下篇讲光伏中游组件
六、电池
27． 市场：150 GW 900 亿2021 年全国电池片产量 152 GW 912 亿（0．6元／W）
28． 原理：半导体光电特性
半导体掺入Ⅴ族元素（磷P砷As），V族元素相比Ⅳ族的外层电子多出一个，多出的电子能够作为导电的来源，这种掺杂手段被称为N（Negative）型掺杂
如果掺入Ⅲ族元素（如硼B氟化硼BF2），Ⅲ族元素相比Ⅳ族的外层电子少一个，这种缺少电子的空位被称为空穴，空穴同样能够导电，对应的掺杂手段被称为P（Positive）型掺杂
当太阳光照射在表面，PN结附近的电子吸收能量变为移动的自由电子，同时在原来的位置形成空穴，当连接电池正负极形成闭合回路时，自由电子受到内电场的力从N区经过导线向P区移动，在外电路产生电流，详细分析请参考半导体全面分析（一）：两大特性，三大政策，四大分类！
29． 技术路线：Al－BSF→PERC→TOPCon／HJT→HBC／TBC→叠层钙钛矿／多带隙／热载流子
根据所用材料的不同，太阳能电池可分为三大类
晶体硅太阳能电池：单晶硅、多晶硅薄膜太阳能电池：硅基薄膜、化合物类以及有机类新型太阳能电池：叠层、多带隙、热载流子
技术路线为 Al－BSF→PERC→TOPCon／HJT→HBC／TBC→叠层钙钛矿／多带隙／热载流子，下面一一介绍
30． Al－BSF：制绒、扩散、刻蚀、镀膜、丝印、烧结、分选
基于光伏原理，提升光电转换效率要降低光损失、减少电子空穴对复合
降低光损失：光照射时，电池片正反面都会产生折射和反射，降低电池片反射率的工艺包括表面制绒、栅线遮光、制备双层减反膜等
减少电子空穴对复合：光伏利用少数载流子（电子／空穴）进行工作，少数载流子寿命（少子从产生到复合的时间间隔）决定转换效率，减少少子复合可以增加少子寿命，少子复合包括体复合和表面复合，减少少子复合的工艺包括正面镀膜（同时减少体复合和表面复合）、铝背场（减少背面复合）、镀氧化铝钝化（减少背面复合）等
Al－BSF 铝背场电池指在 PN 结制备完成后，在硅片的背光面沉积一层铝膜，制备 P＋层的光伏电池，既可以减少少数载流子在背面复合的概率，也可以作为背面的金属电极，包括制绒清洗、扩散制结、刻蚀、制备减反射膜、印刷电极、烧结及自动分选七道工序
制绒清洗：利用硅的各向异性腐蚀，在每平方厘米硅表面形成几百万个四面方锥体也即金字塔结构，由于入射光在表面的多次反射和折射，增加了光的吸收，提高了电池的短路电流和转换效率
扩散制结：太阳能电池需要一个大面积的 PN 结以实现光能到电能的转换，扩散炉即为制造太阳能电池 PN 结的专用设备
去磷硅玻璃：把硅片放在氢氟酸溶液中浸泡，使其产生化学反应生成可溶性的络和物六氟硅酸，以去除扩散制结后在硅片表面形成的一层磷硅玻璃
等离子刻蚀：扩散过程中硅片表面扩散上磷，PN 结正面所收集到的电子会沿着边缘扩散有磷的区域流到 PN 结的背面造成短路，通常采用等离子刻蚀对太阳能电池周边的掺杂硅进行刻蚀去除电池边缘的 PN 结
镀减反射膜：为了减少表面反射，提高电池的转换效率，采用 PECVD 设备沉积一层氮化硅减反射膜
丝网印刷：采用丝网印刷机将预定图形压印在基板上，包括电池背面银铝浆印刷、电池背面铝浆印刷、电池正面银浆印刷
快速烧结：烧结炉快速烧结，将有机树脂粘合剂燃烧掉，剩下纯粹由于玻璃质作用而密合在硅片上的银电极，当银电极和晶体硅在温度达到共晶温度时，晶体硅原子以一定的比例融入到熔融的银电极材料中去，从而形成上下电极的欧姆接触
自动分选：自动分选机通过模拟太阳光谱光源，对电池片的相关电参数进行测量，根据测量结果将电池片进行分类
31． PERC：镀膜开槽，市占率 85％
Al－BSF（铝背场电池）铝背层红外辐射光只有 60－70％ 能被反射，产生光电损失，PERC 发射极钝化和背面接触（Passivated Emitterand Rear Cell）在电池背面附上一层钝化层（氧化铝或氧化硅）产生更多反射光增加额外电流减少光电损失，如果背面不用铝浆，改成局部铝栅线，可以简单升级成双面 PERC 结构，双面率可以达到 75—85％
PERC 工艺增加两道工序：PECVD 沉积背面钝化叠层（增强背面钝化反射能力）、背面钝化层激光开槽（打通钝化叠层形成电学通路）
光电转换效率：2021 年单晶 PERC 电池市占率达到 85％，隆基已可将 PERC 电池效率提升至 24．06％ 逼近理论极限效率 24．5％
32． N 型：N－PERT 没有性价比优势
前文原理中提到 P 型半导体和 N 型半导体紧密结合后形成 P－N 结，但是实际中在工艺上难以实现 P 型半导体和 N 型半导体的直接结合，P 型硅片通常是在硅片端生产一片掺硼的硅片，然后通过扩散炉给 P 型硅片的表面进行扩散掺入磷，从而形成 P－N 结，N 型则反之
N 型电池片转换效率高于 P 型，主要原因是因为 P 型电池片与电子的结合能力更强，如果把电子比作萝卜，空穴比作坑，则在 P 型硅片中坑很多，萝卜少，所以每当有电子流入正极很快就找到了坑，故而少子寿命低（复合速度快），而掺入磷的 N 型硅片体内有大量的自由电子，坑少萝卜多，此时则只能是来一个空穴占一个电子，其余电子则总处于自由激发态，少子寿命长（复合速度慢）
N 型电池片工艺更为复杂，因为磷与硅相溶性差，拉棒时磷分布不均，P型硅片掺硼元素，硼与硅分凝系数相当，分散均匀度更容易控制，因此 P 型电池相对于 N 型电池在工艺上更为简单，成本也较低
N－PERT钝化发射极背表面全扩散电池（Passivated Emitter Rear Totally－diffused Cell）是一种全扩散背场钝化结构，通常PN结在正面，结构比较简单，是最早的N型电池，是天然的双面结构，双面率可以达到80—95％，N－PERT 电池虽然实现了双面发电，但效率提升有限，与 PERC 电池相比没有性价比优势 N－PERT 工艺：增加正面硼扩散炉扩硼、背面离子注入机注入磷、背面 PECVD 钝化叠层，减少了激光开槽工艺
33． TOPCon：扩硼注磷镀膜，原有产线改造
2013 年德国 Fraunhofer 研究所 Frank Feldmann 博士提出 TOPCon 隧穿氧化层钝化接触电池（Tunnel Oxide Passivating Contacts Cell），正面与 N－PERT 相同，在 N 型硅片背面沉积一层薄氧化硅，然后再沉积一层磷掺杂多晶硅薄膜，实现背面钝化接触，使多子电子隧穿进入多晶硅层同时阻挡少子空穴复合，进而电子在多晶硅层横向传输被金属收集，降低金属接触复合电流，提升开路电压和短路电流，提升电池转化效率，极限理论效率 28．7％
TOPCon 增加 3 道工艺：正面硼扩散炉扩散硼、背面离子注入机注入磷、LPCVD／PECVD／PVD 沉积TOPCon 层
34． HJT：制绒镀膜印刷，新建产线
1990 年日本三洋开发HIT晶体硅异质结电池（Heterojunctionwith Intrinsic Thin－layer），但HIT被三洋注册为商标又被称为 HJT、HDT、SHJ，同质结电池指同一种半导体材料构成 P－N 结，异质结是两种不同半导体材料构成异质结，兼具晶硅电池优异的光吸收性能和薄膜电池的钝化性能
HJT 在 N 型晶体硅片（c－Si）正反面沉积非晶硅薄膜（a－Si）形成异质PN结，再沉积双面 TCO 透明导电氧化物（Transparent Conductive Oxide） 薄膜、双面金属电极，结构对称，适合于双面发电
PERC 8 道工艺，TOPCon 10 道工艺，HJT 仅 4 道工序：清洗制绒、PECVD／Cat－CVD 沉积非晶硅薄膜，PVD／RPD 沉积 TCO薄膜、丝网印刷
35． IBC：与HIT结合HBC，与TOPCon结合TBC
IBC 叉指状背接触电池（Interdigitated Back Contact Cell）在N型硅片前后表面均覆盖一层热氧化膜，以降低表面复合，在电池背面分别进行磷、硼局部扩散，形成指状交叉排列的PN结，正面无电极，无栅线遮光，能最大限度利用入射光，减少光学损失
IBC 与 HIT 结合可开发出 HBC 电池，效率达 26．63％，与 TOPCON 结合可开发出 TBC（POLO－IBC）电池，效率达 26．1％
IBC 工艺流程复杂：掩膜法制备 PN 结、正反面钝化镀膜、金属化栅线等
36． 薄膜：能商业化的效率偏低，效率高的成本太高难以商业化
薄膜型太阳能电池的发电原理与晶硅电池相同，但应用的是由硫化镉、砷化镓等非硅材料制备成的微米量级厚度的光伏材料，基本产品形态为一层薄膜，故得名薄膜电池
薄膜电池可以制作成非平面构造，可与建筑物结合 BIPV，还可以应用于汽车、手机、衣服、背包、帐篷等
薄膜电池分为硅基薄膜、碲化镉（CdTe）、铜铟镓硒（CIGS）、III－V 族系列砷化镓（GaAs）叠层电池、燃料敏化电池、有机化合物电池等，但能商业化的效率偏低，效率高的成本太高难以商业化
碲化镉 CdTe 薄膜电池以 p 型 CdTe 和 n 型 Cd 的异质结，领军企业美国 First Solar 一度成为全球市值最高的太阳能电池企业，但效率偏低
砷化镓GaAs薄膜电池成本较高，主要用于宇宙空间探测利用（太阳能电池帆板）等方面，美国 Emcore、波音 SpectroLab，中国航天科技上海空间电源研究所、中国电子18研究所等
37． 第三代：叠层钙钛矿、多带隙、热载流子
太阳光光谱能量分布较宽，现有的任何一种半导体材料都只能吸收其中能量比其禁带宽度值高的光子，能量较小的光子透过电池被背电极金属吸收转变成热能，高能光子超出禁带宽度的多余能量使材料本身发热，因此单结太阳能电池其转换效率的理论极限只有 30％ 左右
第三代太阳电池有叠层、多带隙、热载流子等
双／多结叠层电池（Tandem／Multi－junction）：将带隙不同的两个或多个子电池按带隙大小依次串联在一起，太阳光入射时高能量光子先被带隙大的子电池吸收， 低能量光子被带隙小的子电池吸收，既增加了对低能量端光谱的吸收率，又降低了高能量光子的能量损失，可以显著提高电池效率，钙钛矿Perovskite和晶体硅构成的双结叠层电池理论效率 50％，在实验室研发阶段
钙钛矿电池以有机金属卤化物钙钛矿结构材料（如CH3NH3PbI3和CH3NH3PbBr3）作为吸光层，能隙1．5eV，几百纳米厚的薄膜即可充分吸收 800nm以下的太阳光，成本仅为晶硅电池的十分之一
多带隙太阳能电池：1997 年 Luque 和 Marti 提出中间带太阳能电池模型，在半导体的禁带中引入一个能态密度小窄能带，使得在保持开路电压不变的情况下，增加亚带隙吸收，从而达到增加电流，提高转换效率的目的，极限效率 63．1％，但技术也未成熟
热载流子太阳能电池：光子多余能量赋予载流子较高的热能，这些“热载流子”在被激发后约几个皮秒的时间内碰撞达到一定的热平衡，经过几纳秒载流子晶格发生碰撞把能量传给晶格，几微秒后电子和空穴重新复合，热载流子电池要采用超晶格结构作为吸收层延缓载流子冷却提高对光的吸收，理论极限效率达到 86．8％，还在理论研究阶段
38． 全球：通威、爱旭、隆基
2020 年全国电池片产量 134．8GW，同比增长 22．2％，前五企业占 53．2％，2021 年预计 152 GW
2021 年底通威产能 42 GW、爱旭 40 GW、隆基 35 GW、晶澳、天合、晶科、阿特斯等
601012 通威股份：电池龙头
通威业务分为农业、光伏新能源两大板块，单晶硅产能 8 万吨，电池产能 42GW，全球第一，2020 年完成成都1GW HJT 电池招标
600732 爱旭股份：电池第二
爱旭专注电池环节，2009 年成立，2010 年下线第一片电池片，2015 年量产PERC 单晶电池片，2016 年产量突破 1GW，2017 年 4．3GW，2021 年 40 GW 达全球第二，每一次电池片技术迭代都将带来一次扩产潮，并且重塑市场竞争格局，在最终的技术大一统来临之前，光伏电池片市场难以形成马太效应
39． 材料：高低温银浆，贺利氏、聚和、帝科
银浆是由高纯度（99．9％）金属银的微粒、玻璃氧化物、有机树脂、有机溶剂等所组成的一种机械混和物的粘稠状的浆料，分为导电银浆、电阻银浆、电熔银浆
2020年全球银浆总耗量 2990吨150亿元（正面2137吨背面853吨5000元／Kg测算），我国2467吨（正面1763吨背面704吨）占 82．51％
太阳能电池使用的厚膜导体浆料分为：受光面正面银浆、背光面背面银浆、背面铝浆
正面银浆形成受光面电极，汇集导出光生载流子，用在 P 型电池受光面，N 型电池双面，分为高温（占98％）、低温（仅 HIT 使用）
高温银浆通过烧结工艺（500°C 及以上）将银粉、玻璃氧化物、其它溶剂按照一定比例混合而成，银粉作为导电功能相，含量及成本占比超过 90％，玻璃体系为高温粘接相，有机体系影响印刷性能、印刷质量
低温银浆：HJT前道工艺温度均不超过 400℃，高温银浆对HJT电池薄膜结构造成损伤，低温银浆成型固化温度低于 250℃，采用银粉、树脂和其它溶剂按一定比例进行混合而成
背面银浆：主要起粘连作用，对导电性能要求相对较低，用在 P 型电池背光面
制备工艺：干混＋湿混、研磨与分散、检测入库，关键在于配方、产品粒径
成本：包括直接材料、直接人工、制造费用，银粉占成本超过 95％
银粉颗粒粒径越小，导电银浆的电阻率越小，一般粒度 3～5μm 较好，相当于 250 目普通丝网网径的1／10～1／5，使导电微粒顺利通过网孔，密集地沉积在承印物上，构成饱满的导电图形，全球日本DOWA（市占率超过50％）、美国AMES等，中国苏州思美特、宁波晶鑫、苏州银瑞等
玻璃体系为高温粘接相，对银粉的烧结及银－硅欧姆接触的形成有决定作用，苏州晶银、无锡帝科、深圳首骋、匡宇科技等打破了依赖韩国进口
高温银浆：全球杜邦、贺利氏、三星SDI、台湾硕禾，中国无锡帝科、苏州晶银、匡宇科技、常州聚和，深圳首骋、深赛尔、江苏欧耐尔、合众创能、浙江光达等
低温银浆：全球日本京都电子ELEX（KE）、住友、昭荣、Nanotech、贺利氏、LG、Namics、美国汉高、杜邦等，中国帝科、天盛、晶银、聚和、首驰等
正面银浆：2020 年德国贺利氏全球第一，聚和股份销量 500 吨第二占 23．43％，帝科股份第三 328 吨占 15．4％，硕禾电子第四，杜邦第五，苏州固锝第六 154．01 吨占 7．2％
背面银浆全部国产化，前五厂商儒兴、光达、大洲、正能、优乐
A04940 聚和股份：中国银浆龙头
2015 年成立，2022 年 3 月 18 日科创板过会，2021 年销量 944 吨营收 50 亿，国内第一
40． 设备：前道捷佳伟创，后道迈为，激光帝尔
一代技术一代设备，新技术带来新设备
PREC 生产线设备投资 1．5 亿元／GW，前道设备龙头捷佳伟创，后道设备龙头迈为股份，激光设备龙头帝尔激光，其他北方华创、罗博特科等
TopCon 电池设备新建 2 亿元／GW，改造 0．5亿／GW
HJT 电池设备 4 亿元／GW，整线供应迈为股份、捷佳伟创、钧石能源三家，其他理想万里晖、拉普拉斯、江苏微导、北方华创、江苏杰太、金辰股份、中电 48 所等
300724 捷佳伟创：前道设备龙头
捷佳伟创覆盖整条电池片设备产品链，前道市占率超过 50％，镀膜等核心工艺环节高达 70％ 以上，HIT 实现整线突破，TOPCON 电池LPCVD 设备完成工艺调试，2020 年营收 40 亿元
300751 迈为股份：后道设备龙头迈为股份覆盖整条电池片设备产品链，光伏丝网印刷生产线成套设备市占率 70％，HJT 电池核心设备PECVD、丝印自制，2021 年营收 30 亿元
300776 帝尔激光：激光设备龙头帝尔激光设备包括 PERC 消融、SE 掺杂、MWT、LIR 激光修复、半片、叠瓦等，市占率高达 85－90％，2020 年营收 10 亿元
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