光伏电池激光技术专题报告：TOPCon激光应用分析

中 泰 证 券 研 究 所 专 业 ｜ 领 先 ｜ 深 度 ｜ 诚 信 ｜ 证 券 研 究 报 告 ｜ 2 0 2 2 . 0 4 . 1 7 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：fengsheng@r.qlzq.com.cn 分析师：王可 执业证书编号： S0740519080001 Email：wangke@r.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900-1100℃。  目前硼扩常见的硼源主要为三溴化硼（ BBr3 ）以及三氯化硼（BCl3）。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B