银浆替代品HJT降本利器!光伏电镀铜环节静待起飞

第四届异质结、钙钛矿与叠层电池论坛 将于2022年8月25-26日在常州召开。来自华晟、金刚玻璃、巴鲁夫、晋能、爱康、晶科、国电投、中国华能、 纤纳、协鑫光电、极电光能、CSEM、 HORIBA、柯耐士、阿卜杜拉国王科技大学、 众森、贺利氏、 捷佳伟创、勤友、大族、弗斯迈、乐普科、南京大学等单位的专家将做重要演讲。

HJT 效率改进难抵光伏辅材银浆成本高。银浆是 HJT 光伏电池的关键原材料, 是由高纯度(99%)的银粉、玻璃氧化物、有机材料等所组成的机械混合物的粘 稠状浆料,应用在 HJT 电池生产的最后一步主工艺环节——金属化,通过在电 池两侧印刷固化金属电极,使得电极与电池片紧密结合,形成高效的欧姆接触1以 起到导电作用,直接影响光伏电池的光电转换效率。据 CPIA 数据,截至 2021 年底,电池片的金属电极仍以银电极为主,市占比达 99.9%。

HJT 电池银浆消耗量大,降本突破点在于银浆。据聚和股份数据,当前异质结 电池银浆成本在非硅成本中占比相对较高,高达46%,较TOPCon电池高10pct。据 CPIA 数据,2021 年 P 型电池正银+背银消耗量共计约 96.4mg/片;TOPCon 电池正银+背银消耗量共计约 145mg/片,而 HJT 电池双面低温银浆消耗量约 190mg/片,按单片功率 6W、低温银浆价格 8000 元/kg 计算,单瓦银浆成本为0.25 元,其中银粉材费用占高温银浆成本比例高达 90%以上,低温银浆的银粉 成本占比则达 95%以上。

银浆成本高有四大降本路径,两大方向。一是减少高价低温银浆用量,例如多主 栅(MBB)、激光转印;二是减少银粉的用量,使用贱金属替代部分银粉,例 如银包铜、电镀铜。

非接触式电极金属化技术——铜电镀。铜电镀是一种非接触式的电极金属化技 术,在基体金属表面通过电解方法沉积金属铜制作铜栅线,收集光伏效应产生的 载流子。为解决电镀铜与透明导电薄膜(TCO)之间的接触与附着性问题,需先 使用 PVD 设备镀一层极薄的铜种子层(100nm),衔接前序的 TCO 和后序的电 镀铜,种子层制备后还需对其进行快速烧结处理,以进一步强化附着力。同时, 铜种子层作为后续电镀铜的势垒层,可防止铜向硅内部扩散。

铜电镀与传统丝网印刷的差异主要在 TCO 膜制备工序之后,前两道的工艺制绒 与 PVD 溅射未变:传统异质结产线在 TCO 膜制备之后采用银浆印刷和烧结,而 铜电镀则把银浆丝网印刷替换成制备铜栅线的图形化和金属化两大工序。

图形化工艺:PVD(物理气相沉积法)设备在硅片 TCO 表面溅射一层 100nm 的铜种子层,使用石蜡或油墨印刷机(掩膜一体机)的湿膜法制作掩膜/喷 涂感光胶,印刷、烘干后经过曝光机曝光处理后,将感光胶或光刻胶上的 图形显影。

金属化工艺:特定图形的铜沉积 (电镀铜),然后使用不同的抗氧化方法进 行处理(电镀锌或使用抗氧化剂制作保护层),除去之前的掩膜/感光胶,刻蚀去除多余铜种子层,避免电镀铜在种子层腐蚀过程中引入缺陷,露出原 本的 TCO,其后再进行表面处理,至此形成完整的铜电镀工序。整个过程 使用的主要设备是电镀设备。

曝光机:LDI曝光机在半导体领域称为光刻机,光伏电池片领域精度较半导 体领域低,为微米级,其为铜电镀环节中价值量最高的设备,约 0.5 亿元/GW。目前国内做直写光刻曝光机的为芯碁微装,主要应用在 PCB 与泛半导体领 域。电镀机——水平电镀:水平电镀主要供应商有苏州捷得宝——电镀解决方案 龙头。捷得宝致力于开发铜电镀工艺(油墨掩膜+水平电镀)。根据公司官网 披露,以 M2 计算,2021 年 8 月,其产品专利铜电镀设备产速可达 6000 片 /小时(10μm、10ASD),目标是 10000 片/小时。

电镀机——垂直电镀:东威科技主营镀铜设备,以垂直连续电镀为主,主要 应用在 PCB 板加工。公司开发的光伏电镀铜设备所用工艺为垂直挂镀,技术 在国内处于领先水平;PET 镀铜设备为水平电镀,目前是国内唯一能够量产 的公司。

其他:迈为股份:储备铜电镀 PVD 与图形化设备技术 2021 年 9 月 7 日,迈为在异质结量产设备和电镀技术结合上率先实现突破,利 用澳大利亚 SunDrive 无种子层直接铜电镀工艺实现了 M6 尺寸 HJT 电池片 25.54%转换效率。目前,公司在铜电镀 PVD 与图形化设备方面进行相关技术储 备。罗博特科:具备铜电镀技术储备与专业团队 2015 年杭州赛昂成功实现铜电镀在异质结电池的量产化应用,自动化设备由罗 博特科提供。截至 2022 年 6 月底,罗博特科关于异质结的自动化技术和产品已 经迭代至第三代。公司在铜电镀领域有技术储备与专业团队,技术尚处于公司内 部测试阶段4。公司规划发展新型湿法工艺设备与异质结铜互联解决方案。

2.1.3设备市场规模:预计2030E铜电镀核心设备市场规模达21.83亿元

测算逻辑:①设备市场规模=单 GW 投资额*新增铜电镀光伏电池片产能 ②铜电镀光伏电池片产能:Tn=非银电极渗透率*铜电镀占比*N 型光伏电池片产 能 ③新增铜电镀光伏电池片产能=Tn-Tn-1 关键假设 ①全球电池片产量:根据 CPIA 数据计算得出 2019-2021 年光伏装机量与光伏电 池片比例分别为 1.22、1.26、1.32,呈现上升趋势,我们假设 2022-2030 年伏 装机量与光伏组件容配比均为 1:1.3,光伏组件与光伏电池片配比按 1:1,根 据CPIA预测的2022-2030 年全球光伏新增装机量,可得出全球光伏电池片产量。

②全球电池片产能利用率:鉴于 2022 年电池片产出大国中国受疫情干扰较大, 我们假设 2022 年全球光伏电池片产能利用率相较 2021 年(66.55%)下降 5.55pct,2023 年开始好转。由于光伏电池片产能扩张幅度较大,参照 2019-2021 年产能利用率走势,我们假设 2022-2030 年产能利用率为 65%。

③适用电镀铜工艺的光伏电池片产能:当前 PERC 生产成本相对较低,且由于具 备更高效率的N型电池,如 TOPCon、HJT、IBC 出现,我们认为未来 PERC 电 池会被逐步替代,PERC 电池不具有采用电镀铜工艺的必要性。N 型电池作为新 技术路线,降本是其规模化发展核心逻辑,电镀铜工艺作为降本增效的技术,为 其降本可选技术路线之一。根据 CPIA 对各类电池技术市场占比变化趋势的预测, 我们计算得出 2022 年到 2030 年,适用电镀铜工艺的全球 N 型电池(TOPCon、 HJT、IBC)产能自 13.87GW 增长至 504.28GW。

④铜电镀光伏电池渗透率:根据 CPIA 数据,至 2030 年光伏电池片正面金属电 池技术市场仍以银电极为主导,约占 87.5%,非银电极技术包括银包铜等,约 为 12.5%,该比例口径为所有类型的电池片,而 N 型电池片在运用银包铜、激 光转印等降本路线上较为积极,我们假设在 N 型电池中,2030 年银电极占比下 调为 65%。目前银包铜技术相较电镀铜更为成熟,但未来一旦铜电镀技术成熟 后,大幅降本增效的铜电镀产业化进程会更加快速,因此假设 2022-2030 年铜 电镀工艺在非银电极中占比为自 15%提升至 70%,对应 2022-2030 年铜电镀光 伏电池渗透率自 0.45%提升至 24.5%。

⑤单 GW 铜电镀设备投资额:据 CPIA 数据,2021 年单 GW 异质结电池设备投 资额为 4 亿元,其中丝网印刷设备约占 10%,即 4000 万/GW,我们假设 2022 年单 GW 铜电镀图形化与金属化工序设备投资额为 2 亿元,其中曝光机 5000 万 /GW,电镀机 3000 万/GW,随着技术逐渐成熟,产业化进程加快,设备价值量 会随之下调,逐年下调 5%。

铜电镀相较银浆丝网印刷,优势主要在两方面:降本与提效。1)降本:在自然 界中,金属导电性由高到低分别是银、铜、金、铝、镍、铁,但银属于贵金属, 价格较高,不适合做导线,若采用其做导线,将拉高生产成本,因此在光伏电池 片中,无论是使用高温银浆还是低温银浆,银浆成本高昂是产业规模化痛点,铜 作为贱金属,若能替代银,降本问题基本迎刃而解。2)效率提升:金属银导电 性强于金属铜,但银浆属于混合流动胶体,导电性较纯铜的铜栅线弱,线宽可以 做到更细的铜栅线发电效率也更高。

2.2.1降本:理论状态下,HJT铜电镀电池片成本较银浆丝网印刷低0.12元/W

理论状态下,HJT 铜电镀电池片成本较银浆丝网印刷低 0.12 元/W。我国低温银 浆产业处于早期发展阶段,低温银浆以进口为主,随着国产化不断推进,据华晟 数据,目前低温银浆已降至 6500 元/kg,182mm HJT 电池片在丝网印刷技术 下的非硅成本为 0.28 元/W,理论良率为 98%的 HJT 铜电镀电池片非硅成本则 为 0.16 元/W,铜电镀工艺较丝网印刷工艺节约成本约 0.12 元/W。单从浆料成 本看,丝网印刷工艺的 HJT 电池银浆成本为 0.152 元/W,我们假设铜电镀工艺 的铜耗成本约为其 1/10,即铜电镀工艺在浆料成本上可节省约 0.137 元/W。假 设低温银浆价格落在最低极限值 3000 元/kg,对应前述丝网印刷 HJT 电池片非 硅总成本为 0.20 元/W,依旧比 HJT 铜电镀电池片高 0.045 元/W。

金属栅线电极与透明导电膜之间形成一个非整流的接触——欧姆接触,欧姆接触 效果决定电池导电性与发电效率能否达到最佳。影响欧姆接触效果的因素有接触 面紧密结合度、栅线材料电阻率,电阻率越大,电池片对电子或载流子的负荷越 高,电子或载流子的通过率越差。铜栅线导电性强于银浆。铜的导电性与银相近,但银浆属于混合物胶体,铜栅 线是纯铜,因此铜栅线的电阻率更低,铜栅线Ω/m,银浆的电 阻率大约为 5-10Ω/m。

铜栅线更细,线宽线距尺寸小,发电效率更高。栅线细、线宽线距小意味着栅 线密度更大,更多的栅线可以更好地将光照产生的内部载流子通过电流形 式导出电池片,从而提高发电效率,铜电镀技术电池转化效率比丝网印刷 高 0.3%~0.5%。①低温银浆较为粘稠,印刷宽度更宽。高温银浆印刷线μm,但是低 温银浆印刷的线μm。②铜电镀铜离子沉积只有电子交换,栅线宽度更小。铜电镀的线μ m,采用类半导体的光刻技术可低于 20μm。

铜电镀工艺主要存在三大问题:1)铜电镀产生有机污染物与废水,一方面影响 项目通过环评,另一方面增加成本投入;2)光伏产能大,但水平电镀的出片效 率低,等效条件下单 GWh 设备投资额增大;3)工序复杂问题点增多,铜活跃 易氧化脱栅线产业化进程:导入初期,关注海源复材600MW产线

龙头电池厂加盟,铜电镀技术在光伏领域应用有望加速。早几年前,除赛昂、钧 石、国电投在光伏领域应用 PCB 技术外,国内电池厂商很少应用,但随着降本 日益成为光伏行业角逐重点,近两年,国内电池龙头也在逐渐布局铜电镀技术。目前爱旭、海源、隆基、迈为的技术验证进行得较为深入。

海源复材——600MW 量产铜栅线 HJT 异质结电池拟于今年 10 月调试,2021 年 11 月,海源复材与铜电镀解决方案龙头——苏州捷得宝签署《设备买卖 框架合同》,拟共同完成 5GW 高效异质结电池产能建设项目。据公司 2021 年 12 月 1 日投资者调研活动信息表,在前期 600MW 设备中,铜电镀设备为捷得 宝供应:PECVD 部分,捷得宝供应具有微晶生产力的设备、PVD 部分设备则倾 向于采购进口品牌、制绒环节捷得宝将搭配国内生产的设备。若项目实施顺利, 预计第一条生产线 月进行调试。

据海源复材 2021 年 11 月 18 日公告的定增反馈意见回复,海源复材与国电投研 究院在光伏行业深化协同,国电投研究院将对海源复材的铜栅线异质结电池与组 件技术充分赋能。截至该公告日,国电投研究院已自主开发转换效率 24.5%的铜栅线异质结电池(C-HJT)量产技术工艺,技术水平处于国际先进水平,且拥 有全部知识产权。该技术可有偿授权海源复材应用于异质结电池组件量产项目, 合作研发转换效率 25%以上的铜栅线异质结电池量产技术工艺。

PET 铜箔工艺核心为真空镀膜与离子置换。PET 镀铜膜是在 PET 基膜上进行真 空纳米涂层的技术,以纯度为 99.999%的铜作为靶材,再通过改变真空室内的 工作气压、温度和蒸镀时间等工艺条件,在其表面沉积上金属铜膜。2021 年, 东威科技 PET 复合铜箔电镀设备已实现 966 万元收入,与多个行业大客户对接, 有望实现批量化交付。同时,公司正在研发 PET 镀铜前道的磁控溅射设备,据 公司投资者调研纪要,预计 22H2 能够制造出真空镀设备,后续有望提供 PET 铜箔的成套设备。根据我们测算,2025年全球PET铜箔设备市场中磁控溅射设备市场规模为31.56 亿元,镀铜设备市场规模为 42.54 亿元。关键假设如下:

①锂离子电池出货量:据 EVTank 联合伊维经济研究院共同发布的《中国锂离子 电池行业发展白皮书(2022 年)》,2021 年全球锂离子电池总体出货量达 562.4GWh,同比增长 91%。EVTank 预测 2022 年全球锂离子电池出货量为 784.6GWh,2030 年为 4871.3GWh,2022-2030 年均复合增速为 25.64%,在 此基础上,结合新能源汽车与新能源配储需求旺盛,我们预测 2022-2025 年全 球锂离子电池出货量依次为 785/1035/1360/1890GWh。

②PET 铜箔渗透率:PET 复铜箔作为锂电池负极集流体新型材料,具备安全性 高,能量密度大等优点。2021 年,腾胜科技推出新一代复合铜箔产线,并出口 至海外;双星新材 PET 铜箔已于 2022Q1 送检中国、韩国多家厂商;万顺新材已开发出应用于电池负极的载体铜膜样品送下游电池企业验证;宝明科技跨界投 入 60 亿元建设复合铜箔产线,上游材料产业化进程加速。设备厂商如东威科技 已有来自 PET 薄膜生产厂商、电池负极集流体材料生产厂商、电池生产厂商及 跨行业新增镀膜厂商等多家客户,未来 PET 铜箔有望逐步替代传统锂电铜箔。鉴于早在 2017 年我国建成了第一条复合铜箔产线,在宁德时代等龙头支持下, 生产工艺逐步成熟,我们推测 2021 年 PET 铜箔渗透率约为 0.05%,基于 PET 铜箔具备较好的产业化基础,我们假设 2022-2025 年 PET 铜箔渗透率分别为 0.4%/2%/7%/12%。

③单 GWh 设备投资额:据东威科技投资者调研纪要,1GWh 一般需要 2 台线 台镀膜设备,我们假设 2022 年单台磁控溅射设备约 1400 万元,单 台水平镀铜设备 1200 万元,基于设备价格随产业发展一般具备下降趋势的规律, 我们往前推测 2021 年磁控溅射设备价值量为 2900 万元/GWh,水平镀铜设备价 值量为 3700 万元/GWh。

半导体电镀指在芯片制造过程中,将电镀液中的金属离子电镀到晶圆表面形成金 属互连。目前半导体电镀已不限于铜线的沉积,还有锡、锡银合金、镍、金等金 属,但是金属铜的沉积依然占据主导地位。

半导体电镀主要分为前道电镀工艺与先进封装电镀工艺。目前全球前道晶圆制造 的电镀设备市场处于寡头垄断的状态,市场巨头为 LamResearch。国内市场中, 掌握芯片铜互连电镀铜技术核心专利的公司只有盛美上海。后道先进封装电镀设 备领域,全球范围内的主要设备商包括美国的 Applied Materials 和 LamResearch、日本的 EBARA CORPORATION 和新加坡的 ASM Pacific。

盛美上海 Ultra ECP map 设备是继美国 Lam、AMAT 后全球第三家拥有该技术 的设备商。盛美上海自主开发了针对 65-22nm 及以下工艺技术节点的芯片制造 前道铜互连镀铜技术及设备(Ultra ECP map),采用独家专利的多阳极局部电 镀技术的新型电流控制方法,实现了在超薄籽晶层上完成无空穴填充,主要应用 于集成电路双大马士革互连结构金属铜层应用,除了适用于 65-28nm 工艺技术 节点之外,还可以拓展至更先进制程的钴电镀工艺应用。2022 年 2 月,盛美获 得 13 台 UltraECPmap 前道铜互连电镀设备及 8 台 UltraECPap 后道先进封装 电镀设备的多个采购订单,其中 10 台设备订单为一家中国顶级集成电路制造厂 商的追加订单。

光伏铜电镀是光伏电池金属化环节的工艺技术改进,降本幅度之大吸引设备与产 业化环节企业涌入,未来市场空间可期。

垂直连续电镀设备龙头。公司成立于 2005 年,2006 年推出首台应用于 PCB 领 域的垂直连续电镀设备,通过产品研发升级,形成 PCB 电镀专用设备、五金表 面处理专用设备和新能源领域电镀设备产品格局,目前下游客户已覆盖大多数国 内一线 PCB 制造厂商,截至 2022 年 6 月底,PCB 电镀设备市占率达 50%以上。

PET 镀铜与光伏铜电镀打开新成长曲线。PET 铜箔设备是东威科技在卷对卷垂直连续电镀设备的基础上拓展应用到新能 源动力电池材料专用设备。PET 复合铜箔生产一般由 PVD 磁控溅射及电镀两步 组成,目前东威是唯一能批量化生产 PET 铜箔电镀设备的厂商,在手订单充足, 同时公司开发适合产业化发展的磁控溅射类双面镀铜镀膜设备,与公司生产的水 电镀设备工艺密切衔接,打造一体化 PET 复合铜箔设备体系,公司预计今年下 半年有望制造出磁控溅射真空镀设备。光伏铜电镀方面,据公司 2022 年上半年董事会经营评述,公司自 2020 年 8 月 立项研发“光伏电池片金属化 VCP 设备”,中试线已经取得完全成功,大量产 线已攻克了设备和自动化技术难关,目前在设备研发设计制作中,其特点是:大 产能,6000 片/小时;均匀性好,图形均匀性 3%;占地小;清洁环保;高效节 能等。

激光直写光刻龙头。公司成立于 2015 年,深耕以微纳直写光刻为核心技术的直 接成像及直写光刻设备,至今形成 PCB 和泛半导体两大系列产品,PCB 系列产 品主要包括激光以及紫外 LED 直接成像设备;泛半导体系列产品包括掩膜版制 版设备、IC 制造直写光刻设备以及 FPD 直写光刻设备。公司直写光刻技术水平 国内领先,支撑业绩快速增长,2017 年至 2021 年公司营业收入自 0.22 亿元增 长至 4.92 亿元,年均复合增速为 117.05%,归母净利润自-684.67 万元增长至 1.06 亿元。

PCB 产品结构走向中高端化,曝光精度要求高推动直写光刻设备需求。随着下 游电子产品向便携、轻薄、高性能等方向发展,PCB 产业逐渐向高密度、高集 成、细线路、小孔径、大容量、轻薄化的方向发展,PCB 产品结构不断升级。多层板、HDI 板、柔性板中高阶 PCB 产品市场份额占比不断提升,根据 Prismark 预测,预计到 2025 年,HDI、柔性板、类载板等在 PCB 产品中的市场份额将提 升至 52.6%,而中高端 PCB 是直写光刻设备的主要应用领域,PCB 产品高阶化, 催生现有 PCB 曝光设备的更新换代。

光刻工艺作为 PCB 与泛半导体制造的重要工艺,未来国产化替代快速推进,直 写光刻设备需要旺盛。公司直写光刻可用于制版,IC、功率分立器件、MEMS 等 芯片的制造、先进封装、封装基板制作等领域,受疫情与贸易摩擦影响,IC 载 板与引线框架国产替代加速推进,国家大力扶持半导体产业发展,国产设备迎来 进口替代契机,带动公司光刻设备规模增长。新能源技术革新,直写光刻再拓新应用领域。光伏铜电镀工艺在 PECVD 镀膜后 需要经过曝光显影才能镀铜,目前,公司是曝光显影设备龙头公司,有望将 PCB 直写光刻技术与设备拓展至光伏铜电镀领域。

第四届异质结、钙钛矿与叠层电池论坛 将于2022年8月25-26日在常州召开。会议将探讨碳中和背景下光伏行业展望,25%+量产效率的异质结电池结构与工艺优化,异质结电池关键技术与设备,银包铜、铜电镀和激光转印助力异质结降本,大面积工业化钙钛矿电池和叠层电池制造工艺与设备,钙钛矿电池转换效率提升与长期稳定性研究,异质结组件和叠层组件封装技术与封装材料,异质结、钙钛矿与叠层电池的BIPV市场潜力等。

将于9月22日在常州召开。会议将探讨光伏行业展望与多晶硅供需前景,钙钛矿崛起对多晶硅的影响,光伏多晶硅成本分析、产能规划与价格预测,棒状硅、颗粒硅和物理冶金法多晶硅生产工艺与先进设备,颗粒硅与棒状硅特点比较与应用优势,N型硅片对多晶硅料的品质要求分析,单晶拉棒技术、装备与智能制造,大尺寸高效单晶硅片技术及展望等。如果您有意向了解详情,欢迎您尽快与我们联系:

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