今天分析一个光伏领域中相对小众的市场，叫做铜电镀，由于光伏的主要发展趋势是降本增效，但是银浆的使用拉高了光伏的成本，为了降低成本，现在正在研究用电镀铜来代替银浆的使用。

 

01  电镀铜驱动因素

 

目前光伏电池正在从 P 型电池向效率更高的 N 型电池发展，PERC 是目前光伏电池的主流，但其转换效率已经接近 24.5%的理论极限，N 型电池理论转换效率更高，TOPCon 和 HJT 转换效率最高可达 28.7%和 27.5%。

 

而且 N 型电池性能更好，可以避免诸多光衰减问题，光伏组件衰减较少，发电效率更高，N 型电池的温度系数也优于 P 型电池，因此相比较来说输出功率更稳定。此外，N 型电池还具有双面率高、发电量大、寿命长等优势。

 

2022 年可以说是 N 型电池的发展元年，渗透率开始提升，根据机构预测的数据，N 型电池的渗透率将在 2022 年后迅速增长，预计 2026 年占市场一半以上，其中 TOPCon 占比 40%，HJT 占比 8%。

 

然而 N 型电池的成本高于 P 型电池，这也是限制其产业化发展的原因之一。N 型电池银浆耗量较高，所占成本比例高于 P 型。

 

尤其是 HJT 电池的银浆消耗量最高，这是因为 HJT 电池丝网印刷采用低温工艺，只能使用低温银浆，而低温银浆导电性较差，因此需要增加银浆的用量来降低电阻。

 

另外，低温银浆技术目前被日本垄断，国产化率低，价格要比高温银浆成本高 10%左右，因此降低银浆使用量是 N 型电池降本的主要思路。

 

降银的主要方式有激光转印、多主栅技术、银包铜和电镀铜技术。前三种技术成熟度较高，已经进入量产阶段，电镀铜还处于技术验证阶段，主要难点在于工艺成熟度和降本问题。

 

但是前三种只能在一定程度上降低银浆使用量，随着光伏行业对降本增效要求的加深，能够完全代替银的电镀铜技术或将成为浆料降本技术的最终发展方向。

 

 

相比传统的丝网印刷，电镀铜技术具有明显的成本优势。由于银价居高不下，常年保持在 3000 元/kg，低温银浆价格更贵，大概 6000 元/kg，铜价就算有所涨价相比银价便宜不少，只有 60+/kg。

 

再加上油墨、感光材料、电解液等其他材料成本，也远低于银浆的丝网印刷。而且电镀铜的设备折旧也略低于丝网印刷的设备折旧额，总体算下来电镀铜成本相比丝网印刷降低 27.8%。

 

铜电镀的优势不仅仅在于成本，还在于导电性更强。

 

TOPCon 电池中使用的一般是高温银浆或银铝浆，异质结电池使用的是低温银浆，低温银浆由银粉、有机树脂等构成。

 

异质结使用的低温银浆，烧结温度一般不超过 250℃，导致浆料中的银粉颗粒仅通过载体的粘性不能完全达到紧密贴合，存在的空隙会导致线电阻提高，而铜电极内部致密且均匀，线电阻相对更低。

 

低温银浆体电阻率一般小于 5 μΩ.cm，而铜的体电阻率约为 1.75μΩ.cm，银的体电阻率约为 1.65μΩ.cm，虽然纯铜的导电能力略弱于纯银，但显著强于低温银浆。

 

不过，铜栅线与 TCO 的接触电阻低于纯银栅线，由于银浆料与透明导电薄膜 TCO 之间的接触存在较多孔洞，导致接触电阻增加。

 

而铜与透明导电薄膜 TCO 之间附着紧密，接触电阻更小，功率损耗也更小，电池片的转换效率更高。

 

此外，铜电镀制成的铜栅线相比使用丝网印刷制成的银栅线宽度会更细且形貌会更好，由此可以带来转化效率的进一步提高。

 

但是铜电镀目前还存在一些量产难点，比如产能稳定性有待验证，合适的油墨材料开发较难，铜电镀对电池片良品率有一定的影响，铜栅线存在氧化问题，铜栅线相比银栅线更容易出现脱栅，铜电镀工艺可能会存在环保问题。

 

不过这些在铜电镀巨大的优势面前，可以说都是小问题，相信以后随着对工艺的不断优化，都会逐渐解决。

 

 

02  电镀铜工艺流程

 

电镀的基本原理，就是利用电解原理在某些金属表面镀上其它金属或合金薄层的过程，电镀时，镀层金属或其他不溶性材料做阳极，待镀的工件做阴极，镀层金属的阳离子在待镀工件表面被还原形成镀层。

 

铜电镀技术在 PCB 面板等行业中应用较为成熟，有家公司叫东威科技，在电镀设备专业领域拥有十余年的技术沉淀，VCP 电镀设备市占率 50%以上。

 

2022 年该公司就已经成功研发出集除胶、化铜、电镀三项工艺合一的水平电镀机，有利于下游客户提高产能、降低成本。 

 

铜电镀技术同样可以应用于晶硅电池的金属化环节，以 HJT 电池为例，传统金属化方式就是用丝网印刷将低温银浆印刷至电池片表面形成纯银栅线。

 

而铜电镀是通过一系列工艺在电池片表面制成纯铜栅线，目前铜电镀工艺尚未定型，各个环节均有多种技术路径可供选择。

 

 

铜电镀的工艺流程大概经过种子层、图形化、金属化、去油墨和种子层、退火，这几个环节，其中图形化和金属化为光伏铜电镀工艺的核心环节。

 

首先在电池片表面通过磁控溅射 PVD 设备沉积一层铜种子层，再进行图形化工序，包括喷涂感光油墨、曝光、显影。

 

之后再进行双面镀铜的金属化，再依次去除感光油墨、铜种子层，并镀上锡以防止电极表面的铜栅线氧化，最后进行退火。

 

1、种子层环节

 

HJT 电池铜电镀的种子层环节可以分为有种子层和无种子层，无种子层的工艺难度较大，目前仍以有种子层的路线为主。

 

种子层的主要作用是增强铜栅线与 TCO 之间的结合力，有助于异质结电池实现双面电镀。如果直接把铜栅线长在硅表面，减少烧结环节，容易引起脱栅问题。

 

种子层材料一般为镍或铜镍合金，沉积种子层的设备一般选用 PVD 设备，需要增加设备投资的同时，铜种子层也容易氧化。

 

除了有种子层之外，无种子层目前主要由迈为和 Sun-Drive 联合开发，优化了无种子层直接电镀工艺，使电极高宽比得到提升。

 

无种子层的好处是可以节约 PVD 的设备成本，同时由于没有种子层进入显影液，后续工艺步骤的处理相对更加简单。

 

2、图形化环节

 

铜电镀图形化环节主要目的是制备掩膜，以供后续电镀环节在掩膜槽内沉积铜栅线，目前有 5 种技术路线。

 

一是需要使用掩膜的投影式光刻；二是同样需要使用掩膜的接近接触式光刻；三是无需使用掩膜的 LDI 激光直写，LDI 设备主要由芯碁微装提供；四是喷墨打印；五是激光开槽，该方式一般用于 IBC 电池，主要用于 IBC 电池的背面栅线制备。

 

掩膜光刻可进一步分为接近接触式光刻及投影式光刻，接触式曝光一般用于小批量的试验使用。

 

相较于接近接触式光刻，投影式光刻更加先进，通过投影原理能够在使用相同尺寸掩膜版的情况下获得更小比例的图像，从而实现更精细的成像。

 

同时投影式光刻也是当前 IC 前道制造、IC 后道封装以及 FPD 制造等泛半导体领域的主流光刻技术。

 

直写光刻路线中，直写光刻根据辐射源的不同可分为激光直写、离子束直写与电子束直写，LDI 激光直写受限于激光波长，在精度上不如电子束和离子束等带电粒子直写光刻技术和掩膜光刻技术。

 

但电子束直写产能效率低，且在大规模生产中会产生较为严重的邻近效应，该项技术目前主要应用在高端 IC 掩膜版制版领域。

 

在成本上，投影式光刻需要用到掩膜版，虽然掩膜版寿命相比接触式大幅提高，但使用一定时间仍需更换，且掩膜成本相对较高，一定程度影响投影式光刻的量产经济性。

 

而 LDI 激光直写相比投影式光刻具有无需使用掩膜版、容易修改且制造周期短的优势。

 

3、金属化环节

 

然后是金属化环节，也有 5 种，根据电镀方式不同可分为 5 种类型：单面的光诱导式水平电镀、双面的水平电镀、挂镀式、垂直连续电镀、VDI 电镀。

 

根据光伏的量产级别产能需求，目前产业主要开发的是垂直连续电镀、双面水平电镀和 VDI 电镀。

 

TOPCon 电池使用铜电镀可帮助实现低接触电阻、改善 Voc 等，TOPCon 电池铜电镀需要用到激光等设备，截至 2023 年 4 月帝尔激光已取得头部客户量产订单。

 

2021 年在与捷得宝持续合作进行铜栅线验证的客户，国内外共有 12 家，其中 8 家的技术路线是 HJT，其他 4 家则是 TOPCon。

 

03  电镀铜市场情况

 

电镀铜市场的参与者主要有电池厂商、设备商和耗材商三种类型；目前电镀铜市场处于产业化初期，大部分厂商在中试前的设备测试阶段，预计 2024-2025 年可实现量产落地。

 

市场的主要参与者包括迈为股份、芯碁微装、天准科技、苏大维格、罗博特科、海源复材。

 

 

在光伏市场的高速发展以及 HJT 市占率进一步提升的影响下，中国电镀铜设备市场体量将进一步增高，预计乐观情况下 26 年图形化设备市场空间为 20 亿元，金属化设备市场空间为 40 亿元。