一代技术一代工艺设备

来源:优游ub8     发布日期:2024-04-24 04:49:24

  2019年,光伏产业链发展状况如何?后 PERC时代,TOPCon 和 HJT的路线之争怎么样影响设备市场?半片、叠瓦技术的发展又会带来什么样的机遇?以下以下为您带来最新分析。

   光伏设备为光伏行业未来增效的核心环节:光伏产业链可分为上游的晶硅 原料的制备、硅棒/硅片的制造;中游的电池片、组件制造以及下游的光伏 系统应用。

   过去数年间,通过产业链进口设备国产化、产能扩大形成规模经济效应、 产能转移至低成本地区等手段,光伏装机成本有一下子就下降。截至目前光伏 行业在降本的路线上已经接近极限,未来发展趋势是增效。光伏行业本质 是一代技术、一代工艺、一代设备,其中设备是核心瓶颈环节。

   光伏设备行业在光伏产业链中赚取现金能力较强:光伏行业更新迭代速度 很快,一般硅片、电池片、组件生产线的建设时预定的投资回收期仅为 3 年左右。下游虽然有赚取现金的能力,但一定要进行大额固定资产投资,否 则就会被淘汰出局。综合整条产业链来看,设备端公司赚取现金能力相对 较强。

   光伏设备环节:从上游的多晶硅料开始,到光伏组件,对应核心的设备分 别为多晶硅还原炉、单晶硅直拉炉、切片机/截断机、电池片设备、组件自 动化设备。

   从价值含量上,多晶硅环节的固定资产投资规模约 3 亿元/GW,单晶硅棒/ 锭环节的固定资产投资规模约 2 亿元/GW,硅片环节的固定资产投资规模 约 1 亿元/GW,电池片环节的固定资产投资规模 2~10 亿元/GW,组件设 备环节的固定资产投资规模约 1 亿元/GW。

   硅料供需格局偏紧:国内硅料尚不能完全满足国内单晶硅片需求。国内硅 料产能中单晶比例乐观估计约为 7 成。在未来相当长一段时间,海外硅料 还会是单晶供应有效补充。海外硅料的成本高、交付周期长,总体硅料供 需格局结构性偏紧。2019 年国内多晶硅料扩产规模约为 20 万吨。

   本轮多晶硅扩产带来设备的市场空间达 200 亿元:随着生产装备技术的进 步和工艺水平的提升,三氯氢硅西门子法多晶硅生产线设备投资所需成本逐年 下降。2018 年投产的万吨级多晶硅生产线设备投资所需成本已下降至 1.15 亿 元/千吨的水平。预计到 2020 年,单位投资可下降至 1 亿元/千吨。

   若考虑到 2019 年行业的新扩产规模约 20 万吨来测算,本次扩产带来设备 的市场空间约为 200 亿元。以 3000 吨多晶硅对应1GW产能来测算,若未 来 5 年下游需求规模年化增长 20GW,则对应的设备需求量为 60 亿元/年。

   在多晶硅制备环节,核心设备为多晶硅还原炉,其价值约 5000~6000 万元 / 万吨。国 外 多 晶 硅 还 原 炉 设 备 供 应 商 主 要 有 德 国 GEC、 德 国 Centrotherm 、美国 GT 等。国内多晶硅还原炉设备供应商主要有双良节 能、上海森松、开原化工等。其中双良节能为上市公司,依据公司公告, 双良 2018 年多晶硅还原炉实现盈利收入 4.43 亿元,同比增长 205%,继续占 据市场最大份额。

   单晶电池相对于多晶,产品效率方面有天然的优势:2018 年,规模生产的 单多晶电池基本采用高效技术,其中多晶电池全面应用黑硅技术,单晶领 域则大规模普及 PERC 技术,预计 2-3 年内在多晶领域也将全部由 PERC 技术替代。大规模生产的单多晶电池平均转换效率也分别从 2010 年的17.5%和 16.5%提升至 2018 年的 21.8%和 19.2%。

   由于晶体生长工艺不同,导致单晶硅片与多晶硅片在晶体品质、电学性能、 机械性能方面与单晶相比有显著差异。相比而言单晶硅以下优势:更少的 缺陷、更高的机械强度、更低的碎片率、更大的效率提升空间、更高的集 约性、更长的衰减期。单多晶材料性能对比中,单晶有绝对优势。

   单多晶在电池端成本已打平:单晶的转换效率高于多晶,这不仅表现在普 通工艺单晶电池的转化效率高于多晶电池至少约 1%,更表现在相同的 PERC 工艺条件下,相比各自的普通工艺电池,单晶电池转化效率会进一 步提高约 0.6%~1%,而多晶电池转化效率仅提高约 0.5%。显然,单晶转 换效率的提高更具优势和潜力,这同样来自于单多晶的材料特性差异。

  根 据测算,电池转换效率每提高 1 个百分点,每瓦系统成本降低 5-7 个百分 点。所以做高功率电池组件,单晶的成本永远比多晶低。目前,单多晶在 电池端成本已打平。

   目前单多晶电池成本已基本持平,而单晶在组件和电站端对于配套材料的 节省,以及单晶在长期稳定性、长期衰减率和每瓦发电量方面的优势,使 得单晶硅电站具有更高的投资回报率。在单晶价格迅速下降并逼近多晶价格的当前,单晶仍然具备比多晶更大的降价空间,从而加速了光伏发电去 补贴实现平价上网的步伐,反映出单晶的绝对优势

   截至 2018 年底,主流光伏单晶硅产能约为 75GW 左右(隆基 28GW+中 环 25GW+晶科 5.5GW+晶澳 4.5GW+其他 12GW)。隆基和中环在单晶硅 片环节的产能占比高达 70%以上,呈现双寡头垄断格局。

   2018 年上半年开始至今,国内单晶主要企业隆基、中环、晶科、上机等纷 纷进行单晶扩产,掀起新一轮单晶硅扩产潮。

   隆基股份在 2018 年 3-4 月,拟投资保山单晶硅棒二期项目、丽江单晶 硅棒二期项目和楚雄单晶硅片二期项目,投资额 17.49 亿元、19.37 亿 元和 14.86 亿元。计划 2019 年、2020 年底产能分别提升至 36GW、 45GW,至 2021 年达到 65GW,产能分别增加 8GW、9GW、20GW。

   中环股份于 2019 年 3 月 19 日公告,与呼和浩特市人民政府签署“中 环五期 25GW 单晶硅项目”合作协议书,项目总投资额约 90 亿元, 建成达产后年产能将达到 25GW,届时“中环产业园”单晶硅年产能 将超过 50GW,产能增加 25GW。

   晶科能源于 2019 年 4 月 16 日在乐山开放投资推介会上签约,拟投资 150 亿元,在乐山市建设 25GW 单晶拉棒、切方项目及相关配套设施。

   上机数控 2019 年 5 月 8 日公告与包头市政府签署《包头年产 5GW单 晶硅拉晶生产项目投资协议》,在包头装备制造产业园投资建设年产 5GW单晶硅拉晶生产项目,项目拟总投资约 30 亿元。

   硅片制造光伏产业链中的中游。从目前隆基股份、中环股份的单晶硅项目 投资金额测算,单 GW的投资已降至 4 亿元左右。

   以单 GW 投资额中 70%用于设备投资来测算,硅片制造环节的设备空间约 2.8 亿元/GW。其中单晶炉及配套设备投资额约 2 亿元/GW,金刚线 万元/GW,截断机、切方机投资额约 2000 万元/GW,硅 片分选机投资额约为 1000 万元/GW。

   从设备的价值含量来判断:单晶炉的市场空间最大,受益于下游厂商单晶 扩产;截断机、切方机属于类机床加工设施,产品的生命周期很长,升级 换代的需求不强烈,老设备改造后依旧可通过在新建产线 年的金刚线切片替代砂浆切片产业升级,行业爆发性 增长,目前市场空间较为稳定,增速放缓。硅片分选机为硅片环节设备中 最晚国产化的,未来 2-3 年有望应该爆发式增长。

   若考虑在未来硅片价格下行周期中,可能会影响到二线硅片厂商的投产力度 和进度。我们分别建立 3 种场景做多元化的分析:乐观预测为下游扩产超预期;中性预测为下游按计划扩产;悲观预测为下游扩产不及预期。

   未来 3 年单晶炉市场空间达 120 亿元:单晶炉从最初的 6MW、8MW伴随 单晶硅的快速地发展,目前最先进的已有 10MW 的单晶炉。若以未 3 年国内 单晶扩产约 92GW 的体量进行测算(隆基 37GW、中环 25GW、晶科 25GW、上机 5GW 等),单晶炉的市场空间约 120 亿元。叠加配套设备, 设备投资额有望达 155 亿元左右。

   光伏单晶炉竞争格局:晶盛机电、大连连城双寡头:目前中国市场上单晶 炉的主要生产厂商为晶盛机电、大连连城、京运通等。国外单晶炉设备厂 商已基本退出中国市场。

  作为下游光伏设备供应商,隆基股份的设备主要由大连连城数控供应 (连成数控为隆基股份的关联企业,单晶生长炉独家供应隆基股份) 。其他 的都是走招标程序,晶盛机电的竞争力处于相对领先的地位。

   切片是整个硅片加工流程中重要的一环。要通过密集的线mm 长 的硅锭切成 2500 片 0.1mm左右厚的硅片,且需保证良率在 90%以上。为 减少硅材料的损耗,切割所用钢线的线径极细,一般砂浆线mm,金刚线mm以下。

   相比较于传统的砂浆线切割,金刚线切片作为新的切割技术,具有薄片化 切割、减小切口损失、降低硅料损耗、提高加工效率、提高出片率、降低 污水及 COD 排放等优势,可以大幅度降低硅片生产所带来的成本,提高硅片品质。

   金刚线切片机未来市场空间取决于单/多晶硅片的扩产以及少量多晶硅切片 的生产线改造、高效新产品推出对于落后产能的迭代。

   金刚线大规模应用于单晶硅片的切割始于 2010 年,至 2017 年已全面取代 砂浆切片技术。金刚线切片在单晶硅片领域的市场空间主要根据下游单 晶硅片加工厂商的扩产节奏。

   金刚线切割在多晶领域的应用需要解决铸锭过程中形成的碳化硅硬质点和 电池工艺的制绒技术问题。2018 年多晶硅片切片也基本从砂浆切向金刚线 年将全面被取代。目前上机数控已经与下游多晶硅片 制造商开展合作,进入多晶硅片金刚线切片领域。

   金刚线切片机未来市场空间取决于单/多晶硅片的扩产以及少量多晶硅切片 的生产线改造、高效新产品推出对于落后产能的迭代。

   根据中国光伏协会预计,2019 年硅片产量有望达 128GW,新增产量 为 19GW 左右。以目前上机数控主力切片机机型,每台切片机的年产 能为 43MW,均价在 180~200 万元来测算,我们保守测算对应 9 亿元 光伏切片机的市场空间。

   我们预计随平价上网的临近,未来几年每年新增硅片产量有望超 20GW。考虑到光伏切片厂的产能通常大于单晶硅产能,未来 2-3 年市 场对光伏切片机每年新增需求预测超过 10 亿元。

   2018 年硅片产量 109GW,约占全球硅片产量的 9 成。按理想情况测 算,则全球存量切片机约 2800~3000 台,存量切片机的市场空间约 50~60 亿元。

   随着上机数控设备市场占有率大幅度的提高,光伏设备行业国际巨头瑞士梅耶 博格(MB)起诉上机数控切片机设备专利侵权,江苏省高院 2018 年 8 月 二审终审裁定 MB 败诉。2019 年初,梅耶博格将旗下光伏和特别的材料(包 括半导体和蓝宝石玻璃工业)硅片设备和服务业务出售给一家全球表面增 强技术设备和服务供应商—美国 PSS 公司,从硅片业务中退出。

   目前的竞争格局:硅片分选机是光伏硅片制造环节最晚国产化的设备,直 到 2017 年仍被进口设备垄断。

   奥特维是国内率先规模化销售硅片分选机的龙头厂商,公司 2017 年开 始进行客户验证并取得大批量订单,2018 年开始批量发货并当年实现 收入 1.6 亿元。公司 2017 年开始销售的硅片分选机截至 2018 年末累 计销售硅片分选机 95 台,存量市场占有率达 11.8%。2018 年全球光 伏硅片产量前 10 名企业(合计占比 81.1%, 2018 年全球光伏硅片产 量为 115GW)中的 8 家已采购奥特维生产的硅片分选机产品。

   天准科技也是硅片分选机行业的有力竞争者,根据其招股说明书披露, 2018 年,公司光伏硅片检测装备研发成功并形成销售,共 12 台智能 检测装备,客户为扬州协鑫,出售的收益确认 441 万元。

   未来 3 年,分选机市场空间 5.5~7.3 亿元/年:未来 3 年内的硅片产能的扩 张大多数来源于于单晶硅,根据主流单晶硅厂家的扩产计划,未来 3 年内合计 新增产能约 92GW,有望带来约 8 亿元分选机需求,年化约 2.7 亿元。同 时考虑到光伏设备的更新换代周期较快,约 3~5 年,存量设备的年化更新 需求达 2.8~4.6 亿元。合计分选机设备需求 5.5~7.3 亿元/年。

   提高光伏电池转换效率一直是光伏业界孜孜追求的目标。硅基光伏电池效 率极限是 29%,目前最高电池效率记录为 26.63%,由日本 kaneka 公司在 2017 年创造。

   光伏电池片目前的发展阶段:从常规铝背板 BSF 电池(1 代)→PERC 电 池(2 代)→PERC+电池(2.5 代)→HJT 电池( 3 代)→IBC 电池( 4 代)等,目前产业正处在 PREC 电池扩产高峰期,逐步向 PREC+、HJT 拓展阶段。

   光伏行业主要选择的高效电池技术路线有:P 型多、单晶 PERC 电池技术, N型单晶 PERT/TOPCon 电池技术,N型单晶 HJT 电池技术和 N型单晶 IBC电池技术等。

   高效电池技术代表未来的需求方向:在《光伏制造业规范条件》 和“领 跑者”计划推动下,各种晶硅电池生产技术进步迅速。2018 年,规模化生 产的多晶黑硅电池的平均转换效率达到 19.2%,使用 PERC 电池技术的单 晶和多晶硅电池效率提升至 21.8%和 20.3%,较 2017 年分别提升 0.5 个 百分点和 0.3 个百分点。

   常规 BSF 电池效率区间为 19.8-20%,对应的组件功率为 280W,主要的 效率损失来自于背面全金属的复合,PERC 电池的背钝化电池结构可有效 降低损失,电池结构示意图如图 16 所示。

  与常规电池相比,PERC电池背面增加了氧化铝 AlOx,氧化硅 SiOx 和 氮化硅 SiNx 等钝化叠层,电池表面复合速率大幅度的降低,电池开压 Voc 可提 升 15-20mV。且背面钝化层还可增加光学内反射作用,因此电池电流 isc 也会有显著提升,目前平均转化效率可达 22%左右。

   PERC电池片相对于普通单晶硅电池片价格上的优势明显:根据 PVinfo Link 的 数据,自 2017 年底起到 2019 年 1 季度,PERC单晶电池片对普通单晶电 池片的价格平均有 2 毛的溢价,超额的利润也促使了 PERC 电池产能自 2018 年起加速投放。

   通威:成都的 3.8GW 已经开始动工,眉山的 3.8GW 还未动工,未来 其总体规划到 30GW的产能。

   PERC 电池的工艺流程包括:沉积背面钝化层,然后开槽形成背面接触。相较常规光伏电池的工艺流程新增了两个重要工序,只需在传统电池产线 增加钝化膜沉积设备(PECVD设备或 ALD设备)和激光开槽设备即可。

   目前 PREC 生产线 亿元/GW 左右。其中 PERC 产线前 道设备以捷佳伟创为行业龙头;后道设备以迈为股份是市场龙头;激光 SE、 激光开槽设备以帝尔激光为行业龙头。

   TOPCon 技术是 PERC 电池片技术延伸,属于第 2.5 代电池片。HJT 电池 属于第 3 代技术路线。TOPCon 电池的转换效率要高于 P型 PERC单晶电 池,但是低于 HJT 电池效率,属于中间产物。

  (1)TOPCon 为过渡路线,可从 PERC电池片产线升级,捷佳布局领先

   TOPCon 技术原理为:在电池背面制备一层超薄的隧穿氧化层和一层高掺 杂的多晶硅薄层,二者共同形成了钝化接触结构。该结构为硅片背面提供 了良好的表面钝化,超薄氧化层可以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,从而极大地 降低了金属接触复合电流,提升了电池的开路电压和短路电流。

   TOPCon 捷佳布局领先:TOPCon 工艺技术的升级所需要的核心设备为 LPCVD,目前国内龙头生产厂家为捷佳伟创,公司有望充分受益于 TOPCon 扩产带来的订单增长。从 PERC 产线升级至 TOPCon 工艺,需 要增添的设备价值量约 1.5 亿/GW左右。

   TOPCon 尽管进行了钝化接触,但由于是同质结,因此其 Voc 极限仍不高。HJT 对 TOPCon 属于降维打击,优势显著。我们预计 2020 年~2022 年 TOPCon 有望迎来扩产高峰

   HJT 的技术原理为:以 N 型单晶硅(c-Si)为衬底光吸收区,经过制绒清洗 后,其正面依次沉积厚度为 5-10nm 的本征非晶硅薄膜(i-a-Si:H)和掺杂的 P 型非晶硅(p-a-Si:H),和硅衬底形成 p-n 异质结。硅片的背面又通过沉积 厚度为 5-10nm 的 i-a-Si:H和掺杂的 N型非晶硅(n-a-Si:H)形成背表面场,双面沉积的透明导电氧化物薄膜(TCO)不但可以减少收集电流时的串联电 阻,还能起到像晶硅电池上氮化硅层那样的减反作用。最后通过丝网印刷 在两侧的顶层形成金属基电极。

   国内厂商对 HJT技术不断探索:2011~2014 年,上澎、塞昂、国电等厂商 进行了 HJT 量产的初步尝试;2015~2018 年,中智、晋能、汉能、钧时不 断探索 HJT 效率和成本的边界;2019 年,汉能打破 HJT 效率世界纪录。

  2019 年 10 月 10 日,REC 宣布其位于新加坡的 600MW 异质结电池 与组件产线MW 异质结电池组件产能,将推升 REC总组件产能至 1.8GW。该 600MW异质结产线 亿美元,由 Meyer Buger 提供核心设备和技术方案,生产出的 60 片电池组件的峰值功 率达 380 瓦,组件转化效率达 21.7%,预计电池片转化效率超 24%。该生 产线的投产有望大力推动 HJT电池在全世界内的量产化进程。

   HJT生产线核心设备有望近期实现国产化:HJT 的 4 大工艺步骤 “制绒清 洗、非晶硅薄膜沉积、TCO 制备、电极制备”, 对应的设备分别为清洗制绒设备、CVD 设备(PECVD 为主、HWCVD 较少)、 PVD/RPD 设备、丝 网印刷设备。

   由于 HJT 单工艺步骤难度较大, HJT 设备投资额和价值量相较现存技术产 线大幅度的增加,行业内若有公司能率先形成技术突破,其市占率有望得到快 速提升。

   目前迈为股份已向通威提供 250MW 整条 HJT 产线设备,捷佳伟创也有望 在年底形成整条产线供应的能力。

   2018 年全国组件产量达到 85.7GW,同比增长 14.3%,以晶硅组件为主。组件产量超过 2GW 的企业有 11 家,其产量占总产量的 62.3%,集中度进 一步提高。预计 2019 年组件产量将超过 90GW。

   根据光伏变迁见证者的数据,2019 年国内光伏组件产能将达到 180GW, 仅排在前 10 位组件产家产能就将超过 100GW。从全球别的地方组件产能 来看,2019 年全球组件产能将达到 237GW。

   2019 年,全球组件产能将达到 237GW 左右,其中中国依旧占据最大份额。除中国外的较大产能地区有越南、马来西亚、韩国、印度、美国等。

   组件自动化设备受益于组件产线的扩产,目前国内组件生产设备已经全部 国产化。2018 年国内组件生产线 万元/GW。随着 国产层压机、自动焊接机等设备性能不断的提高,单位时间处理的组件块数 也会快速增多;同时电池片转换效率不断的提高,半片、叠片以及新型材料 的使用,都可以使得组件生产线投资所需成本进一步降低。

  1)组件扩产带来的新建需求:预计2020~2025 年年均需求约 10~12 亿元

   虽然组件厂商扩产有周期性,但根据下游需求来看,未来 5 年新增装 机需求有望达 20GW/年。以 5000~6000 万/GW 的设备投资单价来测 算,未来 5 年内新增组件设备市场空间约 10~12 亿元。

   截至 2019 年底,全球组件存量产能约 240GW:按目前的组件单价测 算,存量组件的市场空间约 120~144 亿元。

   伴随未来新型组件占比逐渐提升,将带来存量老旧组件产线 年,全片电池片的组件仍占据市场绝大部分份额,但相比 2017 年下降了 7 个百分点至 91.7%。按照中国光伏行业协会预计,由 于半片或更小片的电池片组件功率封装损失更小,未来半片及更小尺 寸电池片应用市场占有率将大幅度上升,叠瓦电池组件市占比也会逐渐增 长,到 2025 年,全片电池组件市占率将低于 50%。以光伏组件 5 年 的生命周期来测算,平均的年均更新需求的市场空间约 24~29 亿元。

   光伏组件自动化生产线核心设备有:玻璃上料机械手、串焊机、焊接机、 EVA/背板裁切机、EL 外观检测一体机、层压机、修边机、装框机、分档机 械手等。目前龙头制造商均以光伏组件生产线交钥匙工程为主体业务形 式。

   竞争对手:国外主要厂家有瑞士的 Meyer Burger、德国的 Schmid 等;国 内的成产厂家主要有金辰股份、苏州晟成(京山轻机子公司)、先导智能、 羿珩科技(康跃科技子公司) 、博硕光电等,均有提供光伏组件自动化生产 线的能力。

   组件设备行业盈利水平较低:2018 年组件设备产业链主流公司收入体量在 1~6 亿元,毛利率约 3~4 成,净利率水平在 10%~15%。

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