光伏电池激光技术专题报告：TOPCon激光应用分析-solarbe文库

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中泰证券研究所专业｜领先｜深度｜诚信｜证券研究报告｜ 2022.04.17 TOPCon 激光应用分析光伏电池激光技术专题报告分析师冯胜执业证书编号S0740519050004 电话0755-22660869 Email fengshengr.qlzq.com.cn 分析师王可执业证书编号 S0740519080001 Email wangker.qlzq.com.cn 2 1 、TOPCon 激光主要应用于硼扩SE 环节 TOPCon 激光应用分析  TOPCon 路线下，激光主要应用于硼扩散SE 环节。相较于传统TOPCon 的单纯的硼扩散工艺，激光技术的应用可与其结合形成SE 结果，从而助推转换效率提升0.3 以上。  海目星中标晶科大单彰显激光技术在TOPCon 的应用趋于成熟。2022 年4 月16 日，海目星公告中标晶科能源10.67 亿订单，表明在当前TOPCon 扩产超预期背景下，激光技术亦通过下游客户验证。图表1 TOPCon 单GW 投资额、设备占比及竞争格局来源捷佳伟创、拉普拉斯、中泰证券研究所注自动化包括在每个设备投资额之中清洗制绒硼扩散SE 背面隧穿层多晶硅掺磷刻蚀正背面PE 印刷 LP磷扩RCA PECVD退火 800万 2000-2500 万 1200 万 6000万 5000 万 5500 万 4500万占比4 占比10 占比6 占比25 占比27.5 占比22.5 捷佳伟创扩散炉拉普拉斯捷佳伟创捷佳伟创拉普拉斯最为成熟普乐、捷佳伟创能够提供产品捷佳伟创最为成熟金辰股份有布局捷佳伟创丝网印刷迈为股份捷佳伟创激光转印帝尔激光扩散炉、激光设备等激光海目星帝尔激光大族激光 3 2 、原理分析何谓硼扩及磷扩 TOPCon 激光应用分析  扩散的目的是形成P-N 结。本征硅中载流子数目极少，其导电性能很差。因此，实际应用的半导体是在纯硅中加入微量的杂质元素后的材料，即掺硼的P 型硅片以及掺磷的N 型硅片。扩散的目的是在硅片基地上扩散一层P 型半导体或N 型半导体从而在交界面形成PN 结。  当阳光照在 PN 结上时，PN 结吸收光能激发出电子和空穴，在内建电场的受约力下推动带有负电的电子向 N 区流动，带有正电的空穴向 P 区移动，从而使得 P 区电势升高，而 N 区电势降低，P 区和 N 区之间则会产生一个可测的电压，即光生伏特效应。如果此时在 P区和 N 区分别焊接上导线，接通负载后外电路便有电流通过，从而形成一个电子元件。图表2 P 型硅片（本征硅掺硼）图表3 光生伏特效应的基本原理来源光伏混子说、中泰证券研究所来源单晶硅太阳能电池扩散工艺、背面刻蚀及铝背场工艺研究、中泰证券研究所 4 3 、TOPCon 扩硼工艺的难点 TOPCon 激光应用分析  扩硼要难于扩磷。尽管硼扩与磷扩工艺相似度极高，且设备均以扩散炉为主，但由于硼在硅中的固溶度较低，导致硼扩相较常规的磷扩较难，实际硼扩散的温度需要达到900- 1 1 0 0 ℃ 。  目前硼扩常见的硼源主要为三溴化硼（ BBr 3 ）以及三氯化硼（BCl 3 ）。其中，三溴化硼扩散的副产物对石英器件损伤严重，部分厂商开始使用三氯化硼作为硼源，虽然三氯化硼的副产物对石英器件基本无损伤，但受制于B-CL 键能较大，扩散均匀性又略差于三溴化硼。图表4 硼与磷的固溶度对比图表5 硼扩技术路线对比来源拉普拉斯、中泰证券研究所来源拉普拉斯、中泰证券研究所 5 4 、原理分析何谓选择发射极（ SE ） TOPCon 激光应用分析  选择发射极指在金属栅线与硅片接触部位及其附近进行高浓度掺杂，减少前金属电极与硅片的接触电阻；而在电极以外的区域进行低浓度掺杂，可以降低扩散层的复合。通过对发射极的优化，增加太阳能电池的输出电流和电压，从而增加光电转化效率。  激光掺杂是制作PERC 的SE 工艺主流方式。其实现方式是以磷扩后形成的磷硅玻璃（PSG ）为掺杂源，在金属栅线区域进行激光扫描掺杂，形成N 的重掺杂区域，从而实现选择发射极。这种工艺方式实现简单，仅需在传统PERC 工艺上增加一道工艺即可实现，能够与传统产线兼容，已成为PERC 产线标配。图表6 SE 电池和传统电池结构对比图表7 SE工艺处于扩散及刻蚀工艺之间来源太阳能学报、中泰证券研究所来源拉普拉斯、中泰证券研究所 6 5 、TOPCon 的SE工艺难点 TOPCon 激光应用分析  TOPCon 的SE 工艺难点主要是硼掺杂工艺难度更为复杂。根据前文所述，硼在硅的固溶度低于磷，掺杂难度更高，在推进时需求更高的能量。因此当使用激光掺杂时（即与PERC 的SE方式类似），需要采用功率更高的激光器。  但激光掺杂的“ 火候”较难掌握。如果激光功率过高，则容易在激光照射区域带来绒面损伤，从而影响后续的钝化工艺；而如果功率过低，则推进时的能量可能不足，激光难以将BSG （硼硅玻璃，与P 型电池的磷硅玻璃对应，此处为激光的掺杂源）的硼掺杂进入P 层，会导致金属化重掺区域无法达到浓度要求。图表8 TOPCon 硼扩SE 过程中容易产生的两种钝化层烧穿来源拉普拉斯、中泰证券研究所 7 6 、TOPCon 的SE 工艺实现路径 TOPCon 激光应用分析  现有技术中，制备TOPCon 硼扩SE 结构电池的方法很多，其核心思路均为如何在减少损伤的情况下实现高浓度的重掺硼区域。我们基于国家知识产权局相关专利的分析，将相关工艺方式总结为 ① 离子注入法（无激光）； ② 一次硼扩激光掺杂； ③ 二次硼扩激光掺杂； ④ 激光开膜二次硼扩； ⑤ 激光开槽硼浆印刷； ⑥ 湿法刻蚀二次硼扩（无激光）  其中，离子注入定域掺杂法，需要昂贵的离子注入机，且硼离子注入技术困难，同时硼离子注入退火温度较高且易形成硼原子簇而成为复合中心，目前已基本不作为量产工艺的实现方式。基于此，本文重点讨论 ② ⑥ 的五种SE工艺方式。 8 图表9 一次硼扩激光掺杂工艺路径图表10 一次硼扩激光掺杂结构来源国家知识产权局、中泰证券研究所来源国家知识产权局、中泰证券研究所 6 、TOPCon 的SE 工艺实现路径一次硼扩激光掺杂 TOPCon 激光应用分析  根据天合光能的发明专利（专利号为CN 110299422 A ），由于将BSG （硼硅玻璃）作为掺杂源时，激光掺杂难以将BSG 的硼源掺杂进入P 层，导致重掺杂区域的P 浓度不达标，天合提出先通过扩散炉推进高硼表面浓度的P 层，但不进行氧化，以P 层作为激光掺杂源，再进行激光掺杂和氧化工艺，能够在解决硼掺浓度问题的同时，简化选择发射极的制备工艺流程。  一次硼扩激光掺杂的工艺优势为工艺简单，设备数量需求较低，仅通过扩散炉激光掺杂设备清洗设备即可完成。 N 型硅片制绒清洗硼扩散形成P, 但不氧化激光对栅线区进行掺杂推进清洗，回扩散炉氧化形成SE 去背面BSG 和P, 制备隧穿层等 9 图表11 二次硼扩激光掺杂具体工艺形式来源国家知识产权局、中泰证券研究所 6 、TOPCon 的SE 工艺实现路径二次硼扩激光掺杂 TOPCon 激光应用分析  根据晶科能源的发明专利（专利号为CN 111739794 A ），其对硼扩散工艺进行了进一步改进，本质上与天合类似，即均采用了硼扩散沉积（而不推进）形成掺杂源，再结合激光掺杂工艺实现SE 。相比于一次硼扩，其第一次硼扩形成轻掺杂区域，第二次硼扩为后续激光掺杂提供足够硼扩散源，能够减少一次硼扩带来高温过程，有利于设备的稳定和减少对绒面的损伤。  二次硼扩激光掺杂对应的工艺时间会有所增长，反应在设备数量预计有所增长。硅片制绒清洗后放入扩散炉中，升至第一温度，进行硼扩散沉积将温度升至第二温度（高于第一温度），进行推结，将硼源推入硅片形成轻掺杂区域第二温度降至第三温度，进行第二次硼扩（由于低于第二温度，因此不会推进到轻掺杂区域）以第二次硼扩沉积的部分作为硼扩散源，通过激光掺杂的方式，在金属化区域形成重掺杂，从而形成SE 10 图表12 激光开膜二次硼扩工艺路径图表13 激光开膜二次硼扩结构来源国家知识产权局、中泰证券研究所来源国家知识产权局、中泰证券研究所 6 、TOPCon 的SE 工艺实现路径激光开膜二次硼扩 TOPCon 激光应用分析  根据协鑫集成的发明专利（专利号为CN 110444631 A ），其通过一次硼扩散形成轻掺杂，然后对轻掺杂区域进行激光开膜，进而对开膜后的硅片进行二次硼扩散，从而形成重掺区。重掺区不仅覆盖轻掺区，同时对开膜区进行填充，从而在开膜区形成重掺杂，轻掺区形成轻掺杂，从而形成选择发射极。  激光开膜二次硼扩对应的工艺时间会有所增长，反应在设备数量预计有所增长。在具体设备类别上，反映为激光开膜设备及硼扩散设备。硅片制绒清洗后进行一次硼扩，形成轻掺杂区域对轻掺杂区域进行激光开膜对进行激光开膜后的硅片进行二次硼扩，以形成重掺区。重掺区覆盖轻掺区，并填充开膜区轻掺区（上面覆盖了少许重掺）重掺区（对开膜区进行填充）开膜区 11 6 、TOPCon 的SE 工艺实现路径激光开槽硼浆印刷 TOPCon 激光应用分析  根据普乐新能源的发明专利（专利号为CN 113948374 A ），其采用一次硼扩制作轻掺杂区域，搭配激光开槽硼浆印刷制作重掺杂区的方法，形成N 型电池硼扩SE 结构。由于重掺杂区的激光开槽及硼浆印刷图形与丝网印刷图形一致，降低了金属电极的接触电阻；同时非印刷区域的轻掺杂，提高了光线短波响应，从而提升转换效率。  从设备端来看，不涉及二次扩散，工艺相对简单，对应设备为扩散炉、激光开槽设备、丝网印刷设备。图表14 激光开槽硼浆印刷具体工艺形式来源国家知识产权局、中泰证券研究所硅片制绒清洗后放入扩散炉，扩散形成轻掺杂区域氮气降温出炉，并通过激光开槽对扩散后的硅片进行开槽（开槽图形与后续电极图形一致）在硅片正面对应电极的激光开槽位置印刷硼浆，并烘干；将印刷硼浆后的硅片送入退火炉管，在氮气、氧气氛围下，进行高温恒压重掺杂推进及退火，从而形成SE结构 12 6 、TOPCon 的SE 工艺实现路径湿法刻蚀二次硼扩 TOPCon 激光应用分析  根据晶科能源的发明专利（专利号为CN 110707178 A ），其利用印刷含有HF 的刻蚀浆料的方式，在N 型硅片硼扩面的电极栅线区域刻蚀掉BSG ，得到刻蚀图形，再进行二次硼扩散，在预设栅线区域因刻蚀去除 BSG 使硅片暴露在外而形成重掺杂；而电极区域由于BSG 的遮挡，形成轻掺杂，得到N 型太阳能电池硼扩 SE 结构。预设栅线区域是用网版印刷刻蚀浆料，网版图形与后期印刷电极网版栅线图形一致；浆料覆盖的区域是后期电极栅线印刷的区域。  从工艺方式来看，该种工艺未采用激光设备，主要采用丝网印刷、刻蚀设备以及扩散炉完成，操作相对简单，对绒面的损伤也更小。图表15 湿法刻蚀二次硼扩具体工艺形式来源国家知识产权局、中泰证券研究所硅片制绒清洗后放入扩散炉，一次硼扩形成轻掺杂区域印刷刻蚀浆料，利用网版印刷的方式在N 型硅片表面预设栅线区域涂覆含有 HF 的刻蚀浆料；网版设计与电极印刷网版互补将与刻蚀浆料接触的BSG 和氧化层腐蚀去除，得到表面图形化的硅片进行二次硼扩散，在预设栅线区域因刻蚀去除BSG 使硅片暴露在外而形成重掺杂；而电极区域由于BSG 的遮挡，形成轻掺杂，实现SE 13 7 、投资策略 TOPCon 激光应用分析  基于设备招标及付款维度，2022 年TOPCon 扩产持续超预期。根据我们调研，目前TOPCon 产业链招标规模正迅速放量，预计2022 年TOPCon 将占据新技术风口。我们认为此次海目星中标晶科订单对应的规模或超过40GW （即根据产业链调研，单GW 激光设备投资约2000 万元反推得出），亦印证了行业扩产正持续超预期。  激光设备有望充分受益TOPCon 扩产进程。相比于PERC ，激光设备在TOPCon 的单GW 投资额出现明显增长，主要原因为硼扩SE 工艺难于磷扩SE ，随着TOPCon 的扩产不断超预期，激光设备在光伏领域的市场空间有望持续提升。建议重点关注海目星、帝尔激光、大族激光。图表16 相关标的盈利预测来源 wind 、中泰证券研究所注帝尔激光EPS来的wind 一致预期 2022/4/17 股价（元） 2020A 2021E 2022E 2023E 2020A 2021E 2022E 2023E 688559.SH 海目星 62.80 0.48 0.54 1.25 2.21 130.83 116.30 50.24 28.42 增持 300776.SZ 帝尔激光 182.31 3.53 3.86 4.89 6.42 51.65 47.20 37.27 28.39 未评级 002008.SZ 大族激光 33.90 0.92 1.85 2.42 2.93 36.85 18.32 14.01 11.57 买入投资评级 E P S （元） P E （倍）代码公司风险提示 1 、TOPCon 扩产不及预期。若TOPCon 扩产不及预期，则会对激光设备应用造成影响。 2 、激光技术推进不及预期。若激光技术的应用不及预期，则会影响相关标的的订单。 3 、竞品类技术的表现。竞品类技术如进展顺利，会对激光技术的应用形成冲击。 14 投资评级说明评级说明股票评级买入预期未来612 个月内相对同期基准指数涨幅在15 以上增持预期未来612 个月内相对同期基准指数涨幅在515 之间持有预期未来612 个月内相对同期基准指数涨幅在-105 之间减持预期未来612 个月内相对同期基准指数跌幅在10 以上行业评级增持预期未来612 个月内对同期基准指数涨幅在10 以上中性预期未来612 个月内对同期基准指数涨幅在-1010 之间减持预期未来612 个月内对同期基准指数跌幅在10 以上备注评级标准为报告发布日后的612 个月内公司股价（或行业指数）相对同期基准指数的相对市场表现。其中A 股市场以沪深300 指数为基准；新三板市场以三板成指（针对协议转让标的）或三板做市指数（针对做市转让标的）为基准；香港市场以摩根士丹利中国指数为基准，美股市场以标普500 指数或纳斯达克综合指数为基准（另有说明的除外）。 15 重要声明  中泰证券股份有限公司（以下简称 “ 本公司” ）具有中国证券监督管理委员会许可的证券投资咨询业务资格。本报告仅供本公司的客户使用。本公司不会因接收人收到本报告而视其为客户。  本报告基于本公司及其研究人员认为可信的公开资料或实地调研资料，反映了作者的研究观点，力求独立、客观和公正，结论不受任何第三方的授意或影响。但本公司及其研究人员对这些信息的准确性和完整性不作任何保证，且本报告中的资料、意见、预测均反映报告初次公开发布时的判断，可能会随时调整。本公司对本报告所含信息可在不发出通知的情形下做出修改，投资者应当自行关注相应的更新或修改。本报告所载的资料、工具、意见、信息及推测只提供给客户作参考之用，不构成任何投资、法律、会计或税务的最终操作建议，本公司不就报告中的内容对最终操作建议做出任何担保。本报告中所指的投资及服务可能不适合个别客户，不构成客户私人咨询建议。  市场有风险，投资需谨慎。在任何情况下，本公司不对任何人因使用本报告中的任何内容所引致的任何损失负任何责任。  投资者应注意，在法律允许的情况下，本公司及其本公司的关联机构可能会持有报告中涉及的公司所发行的证券并进行交易，并可能为这些公司正在提供或争取提供投资银行、财务顾问和金融产品等各种金融服务。本公司及其本公司的关联机构或个人可能在本报告公开发布之前已经使用或了解其中的信息。  本报告版权归“ 中泰证券股份有限公司”所有。未经事先本公司书面授权，任何人不得对本报告进行任何形式的发布、复制。如引用、刊发，需注明出处为 “ 中泰证券研究所 ” ，且不得对本报告进行有悖原意的删节或修改。