光伏发电原理和光伏电池片技术详解

市场概况：

光伏电池片领域降本增效是推动光伏产业不断发展的内在牵引力，其中以提升光电转换效率为目标的光伏电池片技术变革是推动降本增效的关键举措之一。2015年至2020年，光伏电池片经历了BSF到PERC的应用技术迭代；2021年以来，以TOPCon、XBC、HJT为代表的新型高效光伏电池片技术开始逐步进入规模化应用阶段。在光伏电池片技术的变革过程中，设备是支撑工艺和产能落地的基础和核心，新设备技术需要均衡成本、性能等核心要素，因此设备厂商需要与下游客户紧密配合，根据新的工艺特点提供兼顾成本、效率的系统性解决方案，具有较高的技术和产品壁垒。

比如在光伏电池片核心工艺设备方面，拉普拉斯利用核心技术应用，通过不断创新持续满足下游客户的多项需求，包括：

①使用气态硼源，结合低压氛围、高温等特点攻克工艺难题，率先实现硼扩散设备规模化量产和应用，突破N型电池片量产工艺瓶颈；

②率先实现光伏级大产能LPCVD大规模量产，可高质量满足高效光伏电池片隧穿氧化及掺杂多晶硅层制备的工艺需求；

③自研水平放片工艺，有效提升产能，满足大硅片、薄硅片的生产需求，降低成本；

④自主设计和生产核心零部件热场，创造性地进行非对称设计，实现精准控温，提高光伏电池片效率和良率，并提升设备可靠性等。

光伏发电的基本原理

光生伏特效应（即“光伏效应”）是指当物体受到光照时，因光能被吸收，电子发生跃迁，物体内的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流的一种效应。

根据半导体的特性，半导体中有电子和空穴两种电流载体（指可以自由移动的带有电荷的物质微粒，简称“载流子”），其中电子带负电、空穴带正电，半导体材料中某种载流子占大多数，则称它为多子，占小部分的即为少子。硅片最基本的材料是“硅”，纯净的硅不导电，但可以通过在硅中掺杂来改变特性：在硅晶体中掺入硼元素，即可做成P型硅片；掺入磷元素，即可做成N型硅片。因硼元素和磷元素价位特点不同，P型硅片中空穴作为多子主要参与导电，电子是少数载流子（少子）；N型硅片中电子作为多子主要参与导电，空穴是少子，上述P（Positive，正电）和N（Negative，负电）即根据硅片多子的正负电情况进行的命名。    

PN结（结是指交叉，译自英文“PNjunction”）是光伏电池片的基本结构单元，其通常形成于同一块硅片中P型区域和N型区域的交界处，可以通过向P型硅片表面扩散磷元素或者向N型硅片表面扩散硼元素制得。

光伏电池片发电即是利用PN结位置产生的自由电子的电位差来产生电流，当太阳光照射在电池片表面时，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，自由电子受到内电场的作用会向N区移动，同时对应空穴向P区移动，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。光伏电池片内部结构及发电原理的简要示意图如下：

   

影响光伏发电效率的核心要素

光伏发电的本质是将光能转化为电能，因此减少光学损失和电学损失是提升光伏电池片转换效率的两个关键方向。光学损失产生的主要原因是材料表面的反射及遮挡损失，包括电池片前表面和背表面的反射以及组件玻璃的反射、电池栅线的遮挡等。目前减少光学损失的主要方法包括：

①利用化学方法对硅片表面进行腐蚀，形成绒面，增加陷光作用；

②制备减反膜降低反射率，例如玻璃减反膜、电池表面的氮化硅减反膜；

③优化电池栅线，减少栅线遮挡损失，例如使用多主栅及新型高效的XBC电池技术。

目前，制绒、减反膜、多主栅等技术目前应用已较为广泛，发展较为成熟，XBC电池技术正在进入快速发展阶段，XBC电池的PN结和金属接触都处于电池的背面，正面没有金属电极遮挡的影响，同时背面可以容许较宽的金属栅线来降低串联电阻从而提高填充因子。

电学损失产生的主要原因是光伏电池片体内及表面电子和空穴的复合，复合率越低，光电转换效率就越高。电池片表面的表面态（悬挂键、杂质、晶格失配和损伤层等）以及电池片内部存在的杂质，它们都会成为载流子的复合中心。

对于解决材料本身的内部缺陷及杂质等引起的问题，单晶硅要优于多晶硅，N型电池要优于P型电池；对于电池表面的复合中心，通过改变光伏电池的结构，如引入钝化膜（主要为Al2O3、SiNx）、隧穿氧化及掺杂多晶硅层等方式，可以有效延长电池片内部少子寿命，减少复合导致的电学损失。    

随着单晶硅片已基本取代多晶硅片以及以Al2O3、SiNx为代表的钝化膜技术在此前的PERC技术也已经得到普遍应用，在材料方面引入N型硅片衬底及电池片结构方面进一步加强钝化效果（如引入隧穿氧化及掺杂多晶硅层）是目前进一步降低电学损失的成熟有效方式，应用该等改善材料和进行结构改变的包括了TOPCon、XBC及HJT等新型高效光伏电池片技术。

光伏产业链情况

在全球低碳的产业政策引导和市场需求的双轮驱动下，中国光伏产业实现了快速发展，已经成为中国可参与国际竞争并取得领先优势的战略性新兴产业，也是中国产业经济发展的一张崭新名片和推动我国能源变革的重要引擎。

当前中国已经形成了从工业硅、高纯硅材料、硅锭/硅棒/硅片、电池片、组件、逆变器、光伏辅材辅料、光伏生产设备到系统集成和光伏产品应用等全球最完整的产业链，并且在各主要环节均形成了一批世界级的领先企业。

中国光伏产业链具备显著的技术水平高、效率高、成本低和上下游配套健全等优势，中国光伏供应链对全球光伏产业发展具有重要的影响力，中国光伏企业持续领导全球产业供应格局。光伏产业的具体产业链及对应的设备需求情况见下图：    

光伏行业规模及发展态势

①全球光伏市场规模及需求

随着生态环境问题日益显现，为应对气候变化的不利影响，1992年联合国环境与发展大会期间全球150多个国家以及欧洲经济共同体共同签署了《联合国气候变化框架公约》，旨在减少温室气体排放。1997年《京都议定书》正式签订，以法规的形式限制温室气体排放。为控制温室气体排放、保护地球家园，2016年签署的《巴黎协定》规定把全球平均气温升幅控制在工业化前水平以上低于2摄氏度以内的基础目标和1.5摄氏度之内的进一步努力目标。

IRENA根据《巴黎协定》制定的目标进行测算，2050年之前，与能源有关的二氧化碳排放量需要每年减少3.5%左右，并在此后持续减少，因此能源的结构组成和变革对于实现气候目标将起到决定性作用，清洁能源的使用势在必行。鉴于能源载体、技术、成本等方面的优势，太阳能和风能作为最主要的清洁能源，正在引领全球电力行业变革，对传统化石燃料发电形成了有效替代。    

根据IRENA数据，2010年至2022年期间，光伏发电度电成本由2.75元/KWh（根据当年末美元兑人民币即期汇率折算，下同）下降至0.34元/KWh，累计下降87.64%。根据IRENA数据，2010年中国煤电发电成本为0.33元/KWh；根据Bloomberg数据，2021年及2022年，中国煤电发电度电成本分别为0.43元/KWh及0.55元/KWh（2020年以来，煤炭价格波动幅度较大）。2022年光伏发电度电成本已低于2010年煤电发电的成本水平，光伏发电相较于传统能源发电已具备经济性。

根据IRENA预测，未来可再生能源将逐步取代传统能源，占整体能源消耗量的50%，其中光伏发电将占总电力需求的25%。为了实现2050年“零排放”的目标，2030年可再生能源装机量需达到2020年的三倍；到2050年，至少有70%的发电量来自于光伏、风电等可再生能源，可再生能源装机量需达到28,000GW。

根据国际能源署（IEA）发布的《全球能源行业2050净零排放路线图》统计数据，2030年之前，全球太阳能光伏每年新增装机630GW；到2030年全球光伏及风能累计装机量有望达到4,120GW；到2050年，全球实现净零排放，近90%的发电将来自可再生能源，其中太阳能和风能合计占近70%，全球光伏及风能累计装机量将进一步增加至18,088GW。

太阳能凭借其无噪声、无污染、无地域限制、分布广泛、取之不尽、用之不竭、易于获得等优点，成为最有发展前途的可再生能源之一。因此世界主要能源消耗国家高度重视光伏产业的发展，陆续出台了相应的产业支持政策，以支持本国光伏产业发展。    

②我国光伏市场规模及需求

我国积极投身全球范围绿色低碳转型，并先后签署《联合国气候变化框架公约》《京都协定书》《巴黎协定》等国际公约。2020年9月中国提出“双碳”目标，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，于2060年前实现碳中和；到2030年，中国单位国内生产总值二氧化碳排放将比2005年下降65%以上，风电、太阳能发电总装机容量将达到12亿千瓦以上。

在我国“双碳”目标背景下，光伏作为近年我国增速最快的新能源，战略地位日益凸显。根据国际能源署数据，2012-2022年，我国光伏发电量复合增长率达61.30%，增长速度大幅领先其他清洁能源。随着分布式光伏整县推进以及风光大基地规划建设的加速落地，国内光伏产业迎来新一轮发展机遇。考虑到未来硅料新增产能逐步释放，供应链紧张程度缓解，加之电池转换效率的进一步提升，将有效带动组件成本下降，预计分布式和集中式装机规模有望快速提升。

据国家能源局数据，2022年我国光伏新增装机87.41GW，较2021年的54.88GW新增装机增加32.53GW，增幅达到59.26%；2023年1-6月，我国光伏新增装机78.42GW，同比增长153.95%；截至2023年6月末，我国光伏发电累计并网容量已达470GW。据CPIA预测，2023年我国新增装机量将达到140GW。    

光伏电池片行业规模情况

2012年至2022年，全球光伏电池片产量持续增长，由38GW增长至330GW，其中中国光伏电池片产量由21GW增长至318GW，全球光伏电池片产量增长的主要来自于中国。

2012年至2022年，我国光伏电池片产量逐年上升，复合增长率达31.23%，我国光伏电池片生产规模自2007年开始已连续16年居全球首位。

光伏电池片行业发展阶段

降本增效是推动光伏行业不断发展的内在牵引动力，随着光伏各个产业链的日趋成熟，光伏电池片作为光电转换效率的决定性影响因素，是现阶段光伏产业链最核心的技术变革领域。光伏电池片技术的技术迭代与光伏设备的技术演进以及应用相互推动和成就，共同推动光伏电池片生产的降本增效。

①光伏电池片技术发展和迭代情况从光伏电池片的技术发展和迭代来看，整体可分为四个阶段：    

第一个阶段是2015年以前，光伏电池片市场主要采取多晶Al-BSF技术，单晶PERC电池片处于技术验证阶段，以试验产能为主，增长迅速但总量较小，随着单晶PERC电池片技术逐渐成熟，其商业化的可行性得到确认；

第二阶段是2015-2017年，单晶PERC电池片投资吸引力凸显，国内厂商开始加码PERC电池片生产，但从整个光伏电池片市场发展过程来看，多晶Al-BSF技术此阶段仍占据着市场主要份额；

第三阶段是2018-2021年，PERC电池片产能实现爆发式增长，根据中国光伏行业协会数据，2019年至2021年的新建量产产线以PERC电池片产线为主，PERC电池片在2021年的市场份额超过90%；在这个阶段内，主流电池片厂商以及公司在内的设备厂商开始逐步布局TOPCon、XBC及HJT等新型高效光伏电池片技术，并共同推动产业化落地；

第四阶段是2022年至今，随着PERC电池片转换效率接近理论极限值，以TOPCon、XBC、HJT为代表的转换效率更高的新型高效电池片技术进入产业化进程。从实际落地的情况来看，TOPCon、XBC在突破设备、工艺、材料等瓶颈后，技术日趋成熟并实现成本和性能的平衡，率先完成量产；相较于TOPCon和XBC，目前主流厂商在HJT领域产能布局尚不广泛，HJT电池片投产和量产规模仍较小。

各主要电池片技术的具体情况如下：

   

注：以上转换效率理论极限值数据来自于权威测试机构德国哈梅林太阳能研究所（ISFH）。

②具有多方面优势的N型光伏电池片技术已日趋成熟

光伏电池片的生产是以硅片为基础材料，通过扩散掺杂元素、多层镀膜等多步骤处理后，形成基本发电单元的过程。其中，以P型硅片作为衬底通过磷元素扩散或掺杂最终制作出的电池片为P型电池片，代表性是基于PERC技术产品；以N型硅片作为衬底通过硼元素扩散或掺杂最终制作出的电池片为N型电池片，具有代表性的为N型TOPCon、N型IBC、N型HJT等新型高效光伏电池片。N型电池片相较于P型电池片具有较为显著的优势：

A、高转换效率：N型电池片的少数载流子寿命显著高于P型电池，能够极大提升电池的开路电压和短路电流，带来更高电池转化效率，如N型TOPCon的转换效率理论可达28.7%，显著高于PERC的24.5%；    

B、低衰减率：N型电池片衬底硅片主要掺入磷元素，在材料中不会形成硼氧原子对（导致P型电池光致衰减的主要因素），因而N型电池片的初始光诱导衰减几乎为零，整体衰减率较低；

C、弱光效应好：N型电池片弱光条件下光谱响应好，提升早晚等弱光情况下的发电能力；

D、高双面率：双面率高达85%以上，有效提升发电增益；E、低温度系数：传统P型电池片温度每升高一度，输出功率就降低0.4%~0.5%，而N型电池温片度系数仅有前者一半左右，发电量显著高于P型电池片。

从光伏电池片技术降本增效的发展目标和趋势来看，在解决了生产设备技术攻关、生产工艺提升、成本优化等关键问题后，TOPCon和XBC两种技术路线下的N型电池片已实现落地量产，其中已量产TOPCon的代表性主流厂商包括晶科能源、钧达股份、中来股份等，已量产或投产XBC的厂商为爱旭股份及隆基绿能。

低压水平硼扩散技术

N型光伏电池片具有高转换效率、低衰减率、弱光效应好和低温度系数等优势，但是，N型硅片需要在硅片表面扩散硼元素以达到形成PN结的目的，而硼扩散设备一直是困扰N型光伏电池片量产的难题，所以最早大规模量产的单晶硅电池是P型的PERC。

硼原子相对于其拟扩散进入的衬底硅原子而言，原子质量较小，对硅原子的替代需要更高的能量，硼扩散工艺相对于磷扩散需要的温度更高（由850℃上升至1050℃左右），且扩散时间长，工艺难度大，设备维护费用高。

行业内原有工艺采用三溴化硼作为扩散硼源，通过氮气携源的方式通入设备，其通入状态为小液滴，在扩散过程中，容易造成硼源在硅片表面分布不均匀，导致形成的PN结不均匀，同时产生的副产物为粘稠状物质，设备需要频繁维护，稼动率低，运营成本极高，难以实现大规模量产，主要用于研发。    

低压水平硼扩散技术，很好地解决了前述技术瓶颈：

①采用三氯化硼作为扩散硼源，在一定温度下通过饱和蒸汽压的方式通入设备，通入状态为气态，扩散过程中硼源在硅片表面分布均匀，形成更均匀的PN结，解决N型电池PN结制备均匀性较差的难题；

②使用气态三氯化硼作为掺杂源，与传统三溴化硼液态源硼扩散相比，在设备营造的特殊反应氛围下，副产物为粉末状的氧化硼，石英管寿命长、维护费用低、运营成本低。

光伏电池片行业发展趋势

①各类电池市场份额情况

从各类电池的市场占有率看，2019年PERC电池片技术超过BSF电池，占据了65%的市场份额，2020年，PERC电池片市场占比达到86.4%，2021年进一步提升至91.2%。

根据CPIA预测情况来看，以TOPCon、XBC以及HJT为代表的新型高效光伏电池片从2022年将处于快速发展阶段，市场份额不断扩大，PERC的市场占比则不断下降。    

根据CPIA近年来的《中国光伏产业年度报告》，总结2021-2022年以来光伏电池片技术和市场发展趋势如下：

A、2021年下半年开始，新型高效光伏电池片（尤其是TOPCon）新建产能呈现爆发的趋势，但受新产能建设到投产、量产时间影响，市场份额处于很低的水平；

B、2022年是中国光伏产业化历史上非常重要的一年，技术迭代加速，BSF基本退出历史舞台，PERC技术新建产能大幅下降；在突破设备、工艺、材料等瓶颈后，凭借较高的性价比，当年新建量产产线主要以TOPCon为主，主流厂商基本均有所布局或建设，TOPCon成为继PERC之后市场占有率最大的一种技术；

C、随着TOPCon产能的持续释放，2022年TOPCon电池出货量接近20GW，占据8.3%的份额，PERC电池片市场占比进一步降低至88%；

D、其他新型高效光伏电池技术路线方面，针对分布式市场，隆基绿能和爱旭股份在XBC方面进行了较大力度的布局；HJT相对成本较高，市场占比仍然不多，总量远小于TOPCon。

此外，CPIA预测，2023年TOPCon市场占比将可能提升至18.1%，其他新型高效光伏电池片技术路线市场占比也将有所提升，PERC市场占比将进一步下降。

②PERC电池片技术面临转换效率理论极限值    

PERC技术背面钝化工艺是在硅片背面沉积Al2O3和SiNx，Al2O3由于具备较高的负电荷密度，可以提供良好的场钝化，SiNx主要作用是保护背部钝化膜，保证电池正面的光学性能，并释放氢原子提升界面钝化效果。背面钝化可实现两点价值，一是显著降低背表面少数载流子的复合速度，从而提高少子的寿命，增加电池开路电压；二是在背表面形成良好的内反射机制，增加光吸收的几率，减少光损失，提高短路电流。

根据CPIA数据显示，PERC电池的理论极限值为24.5%，现有的主流PERC技术量产发电效率面临理论极限，因此以TOPCon、XBC为代表的转换效率更高的新电池片技术在突破设备、工艺、材料等瓶颈后逐步开始规模化应用，可以预期未来PERC的资本化开支将会显著下降。

③TOPCon和XBC是已经实现量产的N型光伏电池片技术

新型高效电池片技术主要包括TOPCon、XBC和HJT三种，其中TOPCon、XBC因技术成熟、成本和性能可平衡，已率先量产；相较于TOPCon和XBC，目前主流厂商在HJT领域产能布局尚不广泛，HJT电池片投产和量产规模仍较小。相关情况如下：    

A、TOPCon

TOPCon是一种基于选择性载流子传输原理的隧穿氧化钝化接触电池片技术，相较于PERC，其在电池的背面采用了钝化接触技术，结构包括隧穿氧化和掺杂多晶硅层，二者共同形成了钝化接触结构，为电池的背面，尤其是金属接触区域提供了优异的表面钝化，从而提升转换效率。

最近几年，经过行业内主流企业持续的产业化探索，凭借成本和性能的有效平衡，TOPCon在设备端、材料端以及生产端均已达到较为成熟的阶段，在新型高效光伏电池片中率先完成量产，量产效率已突破25%。

根据上市公司公开披露的定期报告、投资者交流纪要等相关公开信息，截至2023年9月末，以公司客户为代表的主流厂商中，晶科能源合肥一、二期以及尖山一、二期累计35GWTOPCon已达到满产状态，此外，晶科能源规划在越南、袁花、楚雄、上饶建设合计35GW的TOPCon电池片产能已经在陆续的建设中，规划的山西56GW的TOPCon垂直一体化大基地项目已开工建设；中来股份已完成7.6GWTOPCon的产线建设，另有12GW新产能处于陆续建设中；钧达股份18GWTOPCon已达满产，淮安基地一期13GWTOPCon已投产；隆基绿能和林洋能源已分别公开投资建设30GWTOPCon及20GWTOPCon的计划；正泰新能TOPCon整体产能规划36GW，处于陆续建设中。    

目前，TOPCon技术仍处于持续的优化和迭代过程中，量产转换效率和产能在过去一段时间均呈现出较为显著的提升趋势；由于TOPCon量产转换效率仍有较大的提升空间，加之大产能持续发展趋势，市场及众多行业主流厂商预计未来TOPCon将持续保持和提升技术竞争能力，并持续吸引主流厂商的布局。

B、XBC

XBC电池最大的特点是PN结和金属接触都处于电池的背面，正面没有金属电极遮挡的影响，因此具有更高的短路电流，同时背面可以容许较宽的金属栅线来降低串联电阻从而提高填充因子，加上电池前表面场以及良好钝化作用带来的开路电压增益，使得这种正面无遮挡的电池拥有了高转换效率。

鉴于XBC电池在外观（表面无栅线）、发电增益等方面具有竞争优势，适用于对价格接受度更高的中高端分布式市场和BIPV市场。隆基绿能和爱旭股份分别推出HPBC电池片以及ABC电池片，截至2023年9月末，隆基绿能两个基地累计产能近35GW，预计将于2024年全部满产；爱旭股份已满产6.5GW，并于2023年陆续新增产能3.5GW和15GW，累计达25GW。

C、HJT

根据CPIA的相关报告，HJT电池片中同时存在晶体和非晶体级别的硅，非晶硅的存在能够更好地实现钝化。HJT电池的制备工艺步骤简单，且工艺温度较低，可避免高温工艺对硅片的损伤，并有效降低碳排放，但是工艺难度大。    

相较于TOPCon和XBC，目前主流厂商在HJT领域产能布局尚不广泛，HJT电池片投产和量产规模仍较小。

光伏设备

光伏设备一般包括热制程设备主要包括硼扩散、磷扩散、氧化及退火设备等，镀膜设备主要包括LPCVD和PECVD设备等。

光伏电池片设备

光伏电池片核心工艺设备主要应用于高效光伏电池片生产制造核心工艺环节，光伏电池片主要结构及对应的设备如下：

光伏电池片核心工艺设备决定了光伏电池片的结构质量，会直接影响光电转换效率，并最终影响下游产业链的成本。    

   

光伏设备伴随光伏产业共同发展，规模和技术共进

光伏电池片制造过程中，需要经历扩散、镀膜等多个工艺环节，最终实现特定的结构。工艺解决方案的设计，既需要对工艺环节的具体要求有深入理解（以镀膜为例，需要深入了解所镀薄膜的材质、厚度、均匀度、致密度以及成本等），同时还要能够综合运用热、电、气或光等物理或化学原理，并结合材料特性、化学反应特点、核心零部件参数特征，设计开发出实现特定工艺的设备。工艺设备的开发，涉及到热力学（特别是高温相关的加热及热场控制）、流体力学、无机化学、材料学、半导体物理学、电磁学、机械自动化设计、控制理论、统计学等多门学科，设备运行的过程中，设备内部工艺环境具有“不可见”和“不可有形捕捉”等特点。设计团队需要在结构设计的基础上搭建相应的模拟测试平台完成热场、电场、气场在预期工艺环境下的模拟仿真并通过材料选型、核心零部件以及精密加工完成最终的产品开发设计。

按照光伏制造产业链划分，可将光伏设备分为硅片设备、电池片设备、组件设备，其中硅片设备主要包括单晶炉、切片机等；电池片设备主要包括清洗制绒设备、扩散设备、刻蚀设备、镀膜设备、丝网印刷设备等；组件设备主要包括焊接机、层压机测试机等。

（1）全球光伏设备行业市场规模稳步增长

近年来，随着光伏行业快速发展和技术的不断迭代，光伏设备行业总体上处于增长态势，全球销售规模从2013年的17.5亿美元增长至2022年的95亿美元，复合增长率达20.68%。

（2）中国光伏设备是全球光伏设备行业最主要组成部分

2020年我国光伏设备产业规模超过280亿元，同比增长40%，2021年达到400亿元，同比增长43%，2022年则达到650亿元，同比增长62.50%。国内光伏设备的快速增长受益于多方面因素的影响，主要因素如下：

A、国内光伏设备产业随着光伏产业发展逐步实现国产化；

B、新型高效电池片技术的产能扩张；

C、大片化、薄片化带动的设备改造和升级；

D、组件技术的量产和扩产。

中国光伏设备产业伴随中国光伏产业共同成长并相互成就，通过多年的持续深耕和迭代，在各个环节均已基本实现国产化，并成为全球光伏设备行业最主要的组成部分。根据CPIA数据，2022年，中国光伏设备占全球市场份额的比例已超90%。通过持续的创新，光伏设备开始对光伏制造产业进行“反哺”，光伏设备厂商成为推动技术变革的重要力量，为光伏产业不断降本增效做出努力。

未来，随着市场需求的持续增长、光伏电池片技术的变革，设备更新换代的周期将会缩短，光伏行业对满足新工艺、新技术设备的需求旺盛。

光伏电池片设备是实现光伏电池片技术革新的关键，助力光伏行业降本增效

（1）行业技术水平及特点

现阶段光伏电池片设备技术变革主要是聚焦新型高效光伏电池片生产所需要的核心工艺设备，产业参与者需具备对行业发展趋势、客户深层次需求的理解能力，并具有深厚的技术沉淀、经验积累及量产落地的能力，具有较高的准入门槛。当前规模化量产的光伏电池片正处于PERC向TOPCon、XBC等新技术演进阶段，电池片厂商需要平衡好技术成熟度、经济效益等多个因素，对上游设备厂家提出更高的综合性解决方案要求。设备厂商需要配合下游进行持续的验证和优化，不断对解决方案进行迭代，以实现降本增效目标的持续推进。此外，由于不同下游厂商可能采用不同的工艺路线或者工艺细节，设备具有一定的定制化特点。

（2）光伏电池片发展进程

近年来，光伏电池片技术呈现出持续的创新和变革趋势，PERC替代Al-BSF成为目前最为成熟的技术路径。随着PERC的量产效率已经逐渐接近理论极限转换效率，以TOPCon、XBC和HJT为代表的新型高效光伏电池片技术进入规模化量产阶段。

（3）LPCVD和硼扩散设备是制备N型新型高效光伏电池片TOPCon及XBC的核心工艺设备

①TOPCon和XBC的核心工序设备情况

TOPCon电池片由PERC电池片的基础架构升级而来，主要差别在于硼扩散与隧穿氧化及掺杂多晶硅层的制备：

A由于衬底硅片由P型变为N型，所以需要在衬底表面进行硼扩散以制备P+发射极；

B背面由隧穿氧化及掺杂多晶硅层构成，以多晶硅层的制备方式划分，主要分为三种技术路线，分别为LPCVD、PECVD及PVD，其中LPCVD相较于PECVD、PVD在技术成熟度、成膜质量（均匀性好、致密度高）方面具有优势，随着石英管寿命的提升以及双插工艺（双插，即一个舟齿放置两块硅片，相较于单插，硅片放置量提升一倍）的不断成熟，LPCVD已成为下游客户的主流选择。除上述外，TOPCon生产过程涉及的其他设备则与PERC大体相同，主要环节包括清洗制绒、刻蚀、正面氧化铝（Al2O3）沉积、双面氮化硅（SiNx）沉积、丝网印刷等。

XBC电池片制造工序较PERC差异较大，但也需要使用LPCVD制备隧穿氧化和掺杂多晶硅层，N型XBC则还需要硼扩散设备进行硼掺杂。

②硼扩散设备是制备N型电池片PN结的主要设备

N型光伏电池片具有高转换效率、低衰减率、弱光效应好和低温度系数等优势，但是，N型硅片需要在硅片表面扩散硼元素以达到形成PN结的目的，而硼扩散设备一直是困扰N型光伏电池片量产的难题。

硼原子相对于其拟扩散进入的衬底硅原子而言，原子质量较小，对硅原子的替代需要更高的能量，硼扩散工艺相对于磷扩散需要的温度更高（由850℃上升至1050℃左右），且扩散时间长，工艺难度大，设备维护费用高。行业内原有工艺采用三溴化硼作为扩散硼源，通过氮气携源的方式通入设备，其通入状态为小液滴，在扩散过程中，容易造成硼源在硅片表面分布不均匀，导致形成的PN结不均匀，同时产生的副产物为粘稠状物质，设备需要频繁维护，稼动率低，运营成本极高，难以实现大规模量产，主要用于研发。

低压水平硼扩散技术，很好地解决了前述技术瓶颈：

A采用三氯化硼作为扩散硼源，在一定温度下通过饱和蒸汽压的方式通入设备，通入状态为气态，扩散过程中硼源在硅片表面分布均匀，形成更均匀的PN结，解决N型电池PN结制备均匀性较差的难题；

B使用气态三氯化硼作为掺杂源，与传统三溴化硼液态源硼扩散相比，在设备营造的特殊反应氛围下，副产物为粉末状的氧化硼，石英管寿命长、维护费用低、运营成本低。

③LPCVD是制备高质量隧穿氧化及掺杂多晶硅层的成熟设备

目前N型电池片隧穿氧化及掺杂多晶硅层制备的技术路线分为LPCVD方案（LPCVD+磷扩散设备）、PECVD方案（PECVD+退火）、PVD方案（PVD+退火）。LPCVD凭借技术成熟、成膜质量高、产能大等优点成为下游客户最主流的解决方案；PECVD方案则在成膜效率方面具有一定优势，部分厂商也进行了采纳；少部分厂商基于PVD低绕镀等优势则选择了PVD方案。

在未将光伏级大产能LPCVD推向市场之前，主要行业痛点在于：

ALPCVD原成熟应用于半导体领域，但光伏相对于半导体的成本控制要求更高，隧穿氧化及掺杂多晶硅层对光伏电池片转换效率提升带来的收益与相应增加的工序成本相比较必须具有经济性，此外还有大产能的需求，对于结构构造、工艺设计提出了特殊的要求；B

石英管损耗较高，增加了生产成本；C镀膜均匀度较差。

拉普拉斯结合上述痛点创造性地进行了气流控制设计、载片设计、非对称热场设计、硅片载具的创新设计、自适应串级温控设计、优化设备结构延长石英管寿命和提升产能，并自研新型石英管涂层技术进一步延长石英寿命，完成了光伏级大产能LPCVD的量产落地，为客户产品中隧穿氧化及掺杂多晶硅层制备提供成熟的LPCVD解决方案。

审核编辑：刘清