风物长宜放眼量:能源大变革中光伏产业技术及设备的演进
上一次我们梳理了《能源大变革中的锂电行业:方兴未艾,未来可期》。今天,我们接着来聊一聊能源大变革中光伏产业技术及设备的演进,并基于对上下游产业链的了解挖掘其中的黄金投资机会!
(专业术语可能较多,请耐心阅读到最后,一定不会失望滴)
从光伏设备角度来看的话,可以大致将光伏产业分为硅料、硅片、电池片及组件等四个环节。
硅料环节主要是将金属硅通过改良西门子法(如通威股份,成品为块状硅)或硅烷流化床法(如保利协鑫,成品为颗粒硅)加工为多晶硅料(核心设备为还原炉)。硅片环节将硅料制成的单晶硅棒经过切片加工为单晶硅片(核心设备为切片机)。电池片环节则是将单晶硅片通过清洗制绒、刻蚀、气相沉积、印刷电极等工序加工为具备将太阳能转换成电能(原理为光生伏特效应)的半导体器件(核心设备为PECVD(等离子体增强化学气相沉积)设备)。组件环节则将若干电池片串联或并联,然后与光伏玻璃、EVA胶膜、边框等辅件进行组合,成为太阳能供电**的发电单元。最后,光伏组件与逆变器、支架、接线盒等**配件共同组成光伏发电**,安装在光伏电站内。
光伏产业链
目前,由于整个光伏产业仍处于快速发展阶段,相关的技术与工艺迭代迅速,推动光伏设备持续不断推陈出新,行业空间不断增长。但另一方面,光伏装机需求受经济情况、政策变化的影响较大,因此光伏设备行业的收入增速呈现一定的波动性。
下面,我们就硅片、电池片和组件等三个重要环节的行业概况、技术(工艺)演进(若有)及设备情况进行一下概述:
1 硅片环节
1.1 硅片行业概况:
在硅片制造工艺逐渐成熟以及单位设备投资额持续下降的大背景下,硅片制造行业的进入壁垒不断降低,吸引新玩家踊跃加入。其中不但包括以上机数控、京运通、高测股份等为代表的传统硅片设备制造商,还有双良节能、高晶太阳能、三一集团等新入局者。
与此同时,硅片行业壁垒下降和竞争加剧也推动隆基股份、中环股份等传统专业化硅片制造商开始转型,其中隆基选择以纵向一体化为主要战略,向下游电池片、组件环节延伸,并成功跻身全球组件龙头。而中环则主要通过进一步扩大生产规模,提高市场份额,同时也逐渐布局组件环节。
此外,原先主要产能以电池组件为主、只拥有少量硅片产能的一体化企业如天合光能、晶科能源、晶澳科技等也在加大对硅片制造环节的投资,以获得更大的一体化优势。
降本增效是整个产业链各个环节技术进步的根本驱动力。因此,硅片的尺寸也在不断变大、变薄。目前,大尺寸硅片主要是指G12和M10两种规格的硅片。其中,G12硅片以2019年8月中环股份发布的“夸父”系列G12硅片为代表,其面积相比M6硅片增大近60.8%。M10硅片则以2020年6月隆基、晶科、晶澳等七家光伏企业联合发布的M10型号为代表,其面积相比M6硅片面积也增大近45.9%。
相比M6及以下尺寸硅片,M10和G12大尺寸硅片可以有效降低单位生产成本,并在加工成电池组件后拥有更高功率和转换效率。以G12硅片为例:G12硅片需要生产更大直径的硅棒,而适当增加硅棒的直径,可以在能耗增加较少的条件下提高硅片的面积,从而降低硅片的单瓦能耗成本。此外,在硅棒切割成硅片的切片环节中,大尺寸硅片意味着相同瓦数的硅片所需切割次数减少,从而相应降低切片单位成本。
另一方面,G12硅片所加工成的电池和组件拥有更高的功率和转换效率, 从而能有效降低光伏发电 LCOE(平准化度电成本),提升电站IRR(内部收益率)。
1.2 硅片设备行业格局及厂商梳理:
单晶硅片的生产工艺流程大致可分为拉晶、切方、切片以及清洗分选等4个步骤,所使用的设备包括单晶炉、截断机、开方机、切片机以及分选机等。
光伏硅片生产工艺流程、设备及主要设备商
- 拉晶环节:主要设备为单晶炉、热场等,价值量占比60%,主要厂商包括晶盛机电、连城数控、京运通、北方华创、金博股份等。京运通,目前已经将生产的单晶炉以自供为主,而连城数控则是深度绑定隆基股份。因此,光伏硅片单晶炉设备行业呈现出晶盛机电一家独大的局面,其也基本覆盖了除隆基股份、京运通以外所有的硅片企业。而金博股份是目前国内最大的热场生产企业。其他企业包括隆基股份(产品自用)、 西安超码(中天火箭子公司)、美兰德、凯泊等。
- 切方环节:主要设备为截断机、开方机以及磨倒一体机,价值量占比 约 10%;
- 切片环节:主要设备为切片机和金刚线,价值占比17%,切方和切片设备的主要厂商包括上机数控、高测股份、连城数控、美畅股份、晶盛机电、宇晶股份等。而随着上机数控转型硅片制造,其生产的切方和切片设备也以自用为主。高测股份与连城数控成为市场上切方、切片设备的主要提供商。
- 清洗分选环节:主要设备为分选机,其和自动化设备及其他设备价值 占比 13%:主要厂商包括奥特维、天准科技等。
2 电池片环节
2.1 电池片技术(工艺)演进概况:
从整个光伏产业链的角度看,不断降低生产成本、提高转换效率,从而降低光伏LCOE,是驱动整个光伏产业链各环节技术进步的核心动力。然而,目前来看,硅料、硅片和组件环节的成本下降和技术进步的空间相对有限,未来降低LCOE的主要方式就是提高电池的转换效率。
当前主流的PERC电池(属于P型电池)效率继续提升空间有限,未来需靠N型电池提升转换效率。 据德国哈梅林太阳能研究所(**FH)的研究显示,PERC、HJT、TOPCon(后两者均为N型电池)电池的理论极限效率分别为24.5%、27.5%、28.7%。
光伏电池片分类
在提升转换效率的核心驱动下,N型电池市场比重有望快速提升。2020年,由于PERC电池仍具有最高的性价比,因此新建量产产线仍以PERC电池为主,其市场占比也进一步提升至86.4%。而BSF(铝背场)电池市场占比则迅速下降22.7个百分点下降至8.8%。HJT和TOPCon等N型电池市场 占比约为 3.5%。而随着N型电池技术的逐渐成熟和生产成本的下降,其性价比将逐步超越并拉大与PERC电池的差距。预计到2030年,TOPCon和HJT电池的市场占比将分别达约25%、31%,而PERC电池占比则将下降至约37%。
2.1.1 TOPCon电池:可由PERC电池升级而成,更受传统电池厂青睐
TOPCon电池的全称为隧穿氧化层钝化接触电池(Tunnel Oxide Passivated Contact),其是通过在电池背面制备一层超薄氧化硅,然后再沉积一层磷掺杂多晶硅薄层,二者共同形成了钝化接触结构。TOPCon电池实际上是TOPCon技术和N型PERT产线的结合。而N型PERT电池则为PERC技术的改进型,即在形成正面钝化层的基础上进行全面的扩散,以加强钝化效果。因此,对于PERC产线而言,通过改造存量设备并增加硼扩散、TOPCon层沉积以及清洗3道工艺流程即可升级为TOPCon产线。
PERC和TOPCon电池生产工艺对比
目前,TOPCon电池技术存在以下几个难点尚未突破:
一、良率问题:相比于PERC电池,由于TOPCon电池需要在电池背面制备超薄氧化硅并沉积磷掺杂多晶硅薄层,因此,TOPCon电池的生产工艺多达11步。从而导致当前TOPCon电池产线的良率和稼动率均低于PERC产线。
二、硼扩散问题:根据中科院电工所的研究显示,如果硼在硅中的固溶度过低,则不易得到高浓度发射区。而硼浓度过高,则会导致硼原子无法激活,产生富硼层(死层),难以制备选择性发射层。其次,硼原子过小还容易导致晶格畸变而产生位错。同时,如果硼原子在氧化层中扩散系数大于在硅中扩散系数,又会形成表面低浓度区。此外,扩硼工艺难度也比较大,液态源扩散可能导致黏管问题,而气态源扩散有可能会导致腐蚀。
三、TOPcon层沉积问题:目前,主流的TOPCon层沉积技术主要有LPCVD、PECVD和PVD三种技术路线,而每种技术路线均有较为明显的优缺点,因此尚未明确何种技术路线将成为主流。
此外,TOPCon电池技术路线目前还面临银浆成本偏高、设备成本较高、 背表面钝化层存在金属浆料烧穿和掺杂元素烧穿等问题。
虽然目前TOPCon技术仍存在硼扩散、TOPCon膜沉积等问题尚有待突破,但理论转换效率高、设备投资额较低等显著优势,使其仍受到电池厂、一体化组件厂以及一些新玩家的关注。目前,全球前五大组件厂均已建立中试线。
2.1.2 HJT电池:下一代主流技术平台,新旧玩家齐入场
HJT电池通常指HIT(Heterojunction with Intrinsic Thin-layer)电池, 全称为晶体硅异质结太阳电池。该技术最早是由日本三洋公司于上世纪90年代进行研发,而后HIT电池的名称也被三洋公司注册,因此又被称为HJT、HDT等。相比于PERC、TOPCon等同质结电池,HJT电池主要由双侧电极、双面TCO层、双面非晶硅层以及N型硅片组成。由于HJT电池中同时存在晶体和非晶体级别的硅,非晶硅的出现能更好地实现钝化效果,从而带来更高的开路电压和转换效率。
PERC和HJT电池生产结构对比
相比于PERC电池和TOPCon电池,HJT电池拥有以下几个显著优势:
一、生产工序少:相比PERC和TOPCon电池多达9道以上的生产工序,HJT电池只需要经过清洗制绒、非晶硅薄膜沉积、TCO膜沉积和金属化电极四道工序,生产工艺相对简单。
二、发电量高:HJT异质结电池不仅拥有更高的转换效率,同时其还具有双面率高、衰减率低、无LID(光致衰减)、无PID(电势诱导衰减)、无LeTID(光热衰减)等优异性能。因此,在全生命周期中,HJT电池的发电量比PERC电池要高出15%~20%以上。
三、发展潜力大:通过与钙钛矿、叠层等材料和技术相结合,钙钛矿叠层异质结电池的转换效率有望突破至30%以上。
HJT电池生产工序、设备及主要生产商
生产成本过高为当前HJT电池大规模应用的主要**。虽然HJT电池拥有诸多优势,但目前其生产成本过高的问题仍未得到有效解决,导致其尚不具备相比于PERC电池的明显性价比优势。具体上说,其生产成本较高主要有以下两个原因:
一、银浆成本过高:HJT电池在生产过程中采用的是低温工艺,必须使用低温银浆。而当前低温银浆只有陶氏杜邦、日本KE等公司可以生产,国内尚无公司拥有量产能力,导致低温银浆**较高。与此同时,由于HJT是双面电池,需要两面都用正面银浆,导致银浆用量较高。二者共同导致HJT电池的银浆成本远高于PERC电池。
二、设备投资成本较高:根据CPIA数据显示,2020年,新投PERC电池线的生产设备基本已经全部实现国产化,推动PERC产线的设备投资成本已下降至2.3亿元/GW,而TOPCon电池新建产线的设备投资成本约2.7亿 元/GW,略高于PERC电池;若由PERC产线升级而来,改造成本也仅有6000万元/GW左右。然而,由于目前异质结电池的生产设备尚未完全实现国产化,因此2020年异质结电池产线的设备投资成本仍高达4.5-5.5亿元/GW。
未来,HJT电池主要将通过以下几个方面降低单位生产成本,从而逐渐具备并拉开与PERC电池之间的性价比优势:
一、通过降低银浆用量和银浆国产化来降低银耗成本。
二、设备国产化与规模效应带动单位设备投资额下降。
三、使用更薄的硅片而不会造成碎片率的提升和转换效率的大量损失。
四、微晶化处理进一步提高转换效率,以及半棒半片技术的应用。
五、降低靶材成本并提高转换效率。
根据测算,随着硅片成本、银浆**和耗量、设备投资额的下降以及电池转换效率和良品率的进一步提升,预计到2023年,HJT电池的单位生产成本有望下降0.70元/W,与PERC电池持平。而由于HJT电池的高双面率、低衰减带来的发电量增益,HJT电池将具备较强的性价比优势。
目前,各公司HJT电池规划产能合计已经超过100GW。鉴于HJT电池技术的迅速发展以及未来巨大的发展潜力,诸多公司已纷纷宣布进军HJT电池行业。 根据不完全统计,截至今年8月,各个公司规划的HJT电池产能总和已经超过100GW。其中,通威、爱旭等传统电池巨头已经建立了MW级别的中试线,天合、隆基、阿特斯也已经拥有一定的技术储备。此外,鉴于HJT电池技术有可能带来弯道超车和能源转型的巨大机遇,山煤集团、华润电力、比太科技等行业新进入者的HJT电池产能规划则更为激进。
2.2 电池片设备核心制造商梳理
由于太阳能电池环节单位产线设备投资额高,且N型电池技术发展潜力巨大,因此吸引了国内外众多厂家进入行业。其中,国内厂商包括拉普拉斯、迈为股份、捷佳伟创、理想能源、钧石能源、江苏微导、北方华创、江苏杰太、金辰股份、中电48所等。国外厂商则包括AMAT、MB、日本住友、CT、SEMCO等。
而目前,具备HJT电池设备整线供应能力的国内厂商仅有迈为股份、捷佳伟创、钧石能源三家。其中,迈为股份通过参股YAC获取清洗制绒设备,而后三道工序所学设备均为自制。捷佳伟创则四道工序全部采用自制。钧石能源(未上市)则是在制绒清晰和电极金属化两到工序采用OEM方式制造,而最核心的非晶硅薄膜沉积与TCO膜沉积则是自制设备。
迈为股份:光伏电池丝网印刷设备全球龙头,通过参股YAC获取异质结电池设备整线供应能力。所研发的HJT电池核心设备PECVD和PVD已供应安徽华晟,其首周试产最高电池效率达到24.39%。公司还获得了东方希望、金刚玻璃等企业的异质结电池设备订单。
捷佳伟创:光伏电池设备传统龙头,具备光伏电池整线供应能力。公司多年深耕光伏电池设备领域,主要产品覆盖制绒清洗、PECVD、扩散炉、刻蚀设备、自动化配套设备等光伏电池设备,具备电池设备整线供应能力。公司研发的PECVD、RPD/PVD、二合一TCO镀膜设备(PAR)等设备均已送至客户测试。此外,公司还在半导体湿法设备领域进行突破,槽式清洗设备已形成出货。
3 组件环节
3.1 组件行业概况:
相比硅片、电池等光伏产业链的上游环节,光伏组件的生产加工过程相对简单,单位产销的投资额也较低。但是,由于组件厂商直接面对终端装机需求,因此除了组件产品的质量和性能以外,组件企业的品牌、渠道以及服务也是其企业竞争力的重要组成部分。
一、品牌:对于地面电站而言,由于其基本都采用的是融资方式建设以提高项目收益率,因此,能否在更短的时间内以更低的融资成本取得**就是电站投资商所关心的重要问题。而对于银行等**机构而言,地面电站所采用的组件品牌就是其考虑的核心因素之一。因此,具有高融资价值的组件品牌无疑拥有更强的竞争力。分布式光伏同样亦是如此。因此,根据彭博新能源财经发布的组件和逆变器融资价值报告可以看出,全球组件出货量排名靠前的组件厂商同样具有较高的融资价值。
2020年全球光伏组件企业融资价值前10名
二、渠道及服务:一方面,随着全球越来越多的国家加入碳中和的行列,光伏组件的全球需求分布越来越广泛。因此,能否实现销售体系的全球布局,是决定组件厂渠道竞争力的重要因素。另一方面,由于组件的使用寿命长达数十年,一旦出现故障就需要及时维修,因此组件厂的服务能否快速响应并解决问题就十分重要。因此,组件厂商通常采取与当地经销商合作的方式,当地经销商不仅负责前期的组件销售和安装,而且能更快速提供物流、售后维修等服务。以晶科能源为例,其销售体系已包含20多家物流中心、30多家服务中心,销售网络已覆盖全球160多个国家。
三、成本优势:一体化组件企业在成本优势方面尤其突出。由于硅料和硅片环节行业集中度较高,因此硅料成本上涨一般都会推动硅片**同步上涨,而一体化组件企业则可以通过自制硅片或提高自供比例,消化部分成本上涨的压力。但其他组件厂商则必须面临成本大幅上升的压力,从而导致毛利率大幅下降。从各公司财务数据也可以看出,出货量较大的一体化组件厂由于具备较为明显的成本优势,其毛利率普遍高于非一体化组件企业。
以隆基股份、晶科能源、天合光能、晶澳科技、阿特斯等为代表的一体化组件企业,凭借更强的品牌、融资价值、盈利能力以及更为全面的销售网络,市场份额呈现出不断提升的趋势。我们以出货量占当年全球新增光伏装机的比例进行测算,2020年,前五大组件厂合计出货量83.0GW, 占全球新增光伏装机容量的 63.9%,而2018年前五大组件厂出货量占比则仅为35.3%。前十大组件厂合计出货量114.0GW,占全球新增光伏装机容量的比例为87.7%,而2016年该比例仅为52.5%,光伏组件行业集中度呈现出明显的提升趋势。
因此,在以一体化组件厂为代表的龙头企业竞争优势愈发显著的情况下,叠加未来全球新增光伏需求有望快速增加,头部组件厂纷纷开启新一轮的扩产浪潮。其中,以隆基、晶科、晶澳、天合以及阿特斯为代表的一体化组件厂扩产力度最大,而东方日升、韩华、First Solar等其他龙头组件厂也在逐渐扩大产能。至2021年底,前十大组件厂的总产能预计将达到269.3GW,相比2020年新增产能约95.4GW。
此外,以中环股份为代表的光伏产业链其他环节的龙头企业也在向组件环节布局。并且,以华润电力、明阳智能、爱康科技为代表的企业在布局异质结电池的同时也配套了相应的组件产线。
3.2 组件技术(工艺)演进方向:
一般而言,组件的核心设备串焊机由于效率工艺的快速迭代, 其更新周期约3~5年。而2020年,由于大尺寸硅片、电池、组件渗透率的快速提升,导致组件设备的更新换代周期缩短约1.5年,适配M6及以下尺寸的组件产能未来1~2年将面临大规模替换。与此同时,对于TOPCon电池和HJT电池而言,多主栅和SMBB技术作为降低银耗的有效途径,未来,随着N型电池市场占比的提升,当前市场上的存量串焊机设备中也需对应进行SMBB等技术的升级换代,通过进一步提高串焊精度和串焊效率,以适应更多的焊带数量和更细的焊带。此外,对于异质结电池而言,由于其采用的是低温工艺,因此在电池加工为组件环节同样需采用低温**工艺,否则将造成转换效率的损失,这也需要对传统串焊设备进行更新换代。
因此,在龙头组件厂开启扩产浪潮的同时,叠加大尺寸、SMBB、异质结低温**等技术推动存量组件设备更新换代,光伏组件设备的市场规模也将 进一步增加。
3.3 光伏组件设备核心制造商梳理
光伏组件的生产工艺可分为串焊/叠瓦、叠层及EL测试、层压、装框、安装接线盒、固化、清洗、测试包装等步骤。其中,核心装备包括串焊机、激光划片机、层压机等。目前,组件设备行业基本形成了以奥特维、金辰股份、先导智能、宁夏小牛(未上市)以及康跃科技等厂商的格局。
光伏组件生产工艺流程、设备及主要设备提供商
奥特维:光伏组件设备龙头。公司以常规串焊机、多主栅串焊机以及激光划片机等光伏组件设备为核心业务,同时还向单晶炉、硅片分选机、光注入退火炉等硅片和电池设备纵向延伸。此外,公司还有半导体封装设备(键合机)以及锂电设备(模组PACK线)等新兴业务。
金辰股份:组件自动化设备龙头。以串焊机、层压机以及光伏组件自动化设备为核心业务,具备光伏组件设备整线供应能力。同时,公司还开发销售了电注入抗光衰设备、电池上下料机、PL测试仪等电池自动化设备。此外, 值得关注的是,公司目前正在重点研发应用在N型电池领域的PECVD设备, 且已有设备送至客户进行测试。
先导智能:锂电设备龙头,光伏设备、3C设备多事业部共同发展。公司通过深度绑定全球动力电池龙头宁德时代后,迅速成为锂电池设备龙头。与此同时,公司在串焊机、层压机等光伏组件设备领域也具备较强竞争力。并且,公司也在加大对制绒清洗、PECVD、氧化退火等光伏电池设备的研发投入,未来有望纵向拓展至光伏电池设备领域。
小结:
近日,硅片龙头隆基股份宣布旗下硅片降价7-10%不等,引发高位横盘的光伏板块回调。从整个行业链来看,硅片降价,下游的电池片及组件均会跟随,引发电站装机重新活跃。虽然这个过程需要时间,也会存在产业链上下游的博弈与摩擦,但逐步回暖的行业整体无疑更健康,也会带来更多的投资机会。
在“双碳”策略的大背景下,光伏行业近2年高度景气,涌现了一批10倍股,光伏板块“要**”言论从来不绝于耳。但如果深入研究的话,目前的光伏板块,尤其是一些龙头企业,整体估值虽然在历史高位,但与其他一些成长行业相比并无明显泡沫。打败成长股的从来都不是当时看来高高在上的股价,而是企业高速增长的预期不复存在。因此,在当前光伏行业景气度没有明显拐点的情形下,我们坚定看多光伏行业:如果行业内的优质企业有较大的回调,我们仍然将认为是布局良机。
本文参考资料来源:东兴证券、湘财证券研报
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