之前说光伏行业设备是一个比较不错的环节，因为光伏行业为了降本增效，经常出现技术迭代，这就需要更先进的设备，而原有设备由于技术落后，不等到正常折旧报废就提前退休了，就像追电子产品一样，总有新款等着你。

 

因为你不买，同行们也会买，到时候人家生产出来的产品就更具备成本优势。

 

这就造成一种情况，后来者也能居上，其他行业的大佬，买一套最新设备，再加上积累一些经验，也可能跨界成为光伏产业强有力的竞争者，大家不断扩产能，打价格战，反而是卖铲子的设备厂商赚了不少。

 

因为设备属于技术密集型行业，只要自己的技术水平在行业内持续领先，就能保持竞争优势，其他设备厂商达不到同样的技术水平，就没法跟人家打价格战，行业龙头就可以在一段比较长的时间内享受价格红利。

 

除非有一天光伏行业的技术进步已经到达了天花板，行业龙头逐渐被后来者追上，并且光伏厂商产能扩张慢下来，设备环节才会变成一个普通的周期性行业，不过现在看还远没有达到，那种还有很大技术进步空间的设备更值得关注。

 

但是光伏设备也有一个麻烦的点，就是光伏行业经常出现好几种技术路线，每条技术路线的发展前景肯定不一样，万一押错了技术路线，可能不仅研发费用打水漂，设备的市场份额也要缩小。

 

01 晶硅电池制作过程

 

简单分析一下光伏产业一般需要哪几种设备，目前还是以晶硅电池为主，钙钛矿还没有起量。

 

之前的文章里我们已经分析过，钙钛矿电池用到的设备主要是镀膜、涂布和激光设备，而晶硅电池有四大环节，硅料、硅片、电池、组件，用到的设备相比钙钛矿要复杂得多。

 

光伏电池的基本原理很简单，就是光照射到光伏电池表面，产生载流子，通过外界导引让其定向移动形成电流。

 

什么是载流子？其实就是带电粒子，可以是电子或离子。半导体中存在两种载流子，一种是电子，另一种是电子走了之后在共价键上留下的空穴。

 

晶硅电池都是由两片构成的，一片是 N 型电池，另一片是 P 型电池，叫做 PN 结。

 

光照射后，PN 结内部发生载流子移动。N 型电池里形成电子，P 型电池形成空穴，它们分别聚集在电极两端，然后接上外部装置就可以引出电流。

 

简单回顾一下光伏电池产业整个制作过程，先是从矿石中开采制成硅料，然后硅料经过拉棒、切割等环节制成硅片。

 

硅片经过镀膜、印刷后形成电池片，然后再经过串焊、层压等封装环节形成制成光伏组件，组件再与支架、电缆等组合安装，形成光伏电站。

 

 

接下来我们分别从硅料、硅片、电池、组件四大环节看一下都有哪些核心设备。

 

02 硅料生产设备

 

硅料的生产主要是从硅矿中分离提纯出多晶硅料，该环节有多种生产工艺，物理方式主要有冶金法，化学方式主要有改良西门子法、流化床法、氯硅烷还原法、硅烷流化床法。

 

目前改良西门子法最为普遍成熟，且投资风险较小。2022 年，使用改良西门子法生产多晶硅的市场份额超过 90%。

 

 

不过，以协鑫科技为主的部分企业也在大力推进硅烷流化床法生产颗粒硅，而且协鑫科技目前的颗粒硅产能已经达到了 26 万吨/年，未来三年计划每年以 20 万吨新增颗粒硅产能的速度扩产。

 

多晶硅产线的投资成本主要包括土建、设备、安装费用等，设备投资占总成本的 60%-70%。

 

多晶硅产线设备投资额过去五年基本保持稳步下降趋势，生产综合电耗随着装备技术水平、系统能力，以及生产规模的提升而不断下降。

 

多晶硅还原炉是核心的生产设备，改良西门子法通过多晶硅还原炉给硅芯或硅棒通电加热，使其表面温度维持在 1050℃-1100℃，使三氯氢硅和氢气在其表面发生反应，生成的硅沉积在硅芯或硅棒的表面，形成多晶硅棒。

 

钟罩式多晶硅还原炉是用于生产多晶硅的反应器，该设备的性能会综合体现多晶硅产品的产量、质量、成本、能耗等多个关键指标。

 

目前多晶硅还原炉的头部生产企业有 72 对棒、48 对棒、40 对棒、36 对棒、24 对棒、18 对棒等多种系列的还原炉产品，该产品已经基本完成了国产化进程。

 

我国多晶硅还原炉头部厂商是双良节能，也是中国第一批实现多晶硅核心生产设备自主生产的企业之一，打破了被外商垄断的局势，公司推出的第二代 40 对棒还原炉是目前多晶硅生产的主导炉型。

 

 

公司去年还原炉销量增长迅猛，主要得益于硅料产能扩张，还有硅料价格不断上涨的刺激，众多硅料龙头企业以及新晋玩家投建硅料产能，如通威股份、大全能源、其亚硅业等都进行了新产能布局。

 

03 硅片生产设备

 

硅片的生产主要分为拉棒和切片两大工序，拉棒就是将清洗过的多晶硅料投入单晶生长炉，生长出单晶硅棒，切片主要是将单晶硅棒经过截断、开方、磨削、切片、清洗分选检测后得到单晶硅片。

 

 

光伏硅片的非硅成本主要包括坩埚、热场、金刚线、冷却液、电力、折旧及其他成本。

 

硅料拉棒需要在热场环境下高温熔化，所以对电能的消耗比较大，但随着热场保温性能改善，电耗也在逐渐降低。

 

还有切片环节，预计随着棒长增加、切速增加、细线化以及薄片化带来的单次出片量增加，每百万片的电量消耗也在降低。

 

硅片拉棒技术根据晶体生长的方式不同，可分为悬浮区熔法（FZ）和直拉法（CZ 法）。

 

直拉法就是将高纯度多晶硅放在石英坩埚中加热熔化，再将单晶籽晶插入熔体表面，等籽晶与熔体熔合后，缓缓提拉籽晶，晶体便会在籽晶下端生长。

 

然后再经过种晶、缩颈、放肩、等径、转肩、收尾、冷却等工序，晶体就会逐渐生长成晶棒。

 

悬浮区熔法就是将硅棒局部利用线圈进行熔化，并在熔区处设置磁托，因此熔区可以始终处于悬浮状态，然后再将熔硅利用旋转籽晶进行拉制，在熔区下方制备单晶硅。

 

但目前量产的单晶硅棒都是通过直拉法生产的，主要工艺为多次投料复拉法（RCZ），因为直拉法生长单晶难度小、成本低，更适合单晶硅棒生产。

 

RCZ 法节省了晶棒冷却时间和进气排气时间，石英场还可以反复利用，成本下降潜力巨大，目前这一工艺正在向更大装料量、更多晶棒、更快晶体拉速的方向发展。

 

拉棒单炉投料量为一只坩埚用于多次拉棒生产的总投料量，坩埚的使用时间为关键因素之一。

 

2022 年，拉棒单炉投料量为 3100kg，相较于 2018 年增长超过 200%，主要得益于热场尺寸的增大、拉棒数量的增加。未来随着坩埚工艺及拉棒技术的提升，依然有着较大增长空间。

 

拉棒环节的核心设备是长晶炉，中国生产长晶炉的企业主要有晶盛机电、连城数控、北方华创、京运通等。

 

其中，晶盛机电全市场份额约 50%-60%，连城数控是隆基绿能的关联企业，主要供应隆基绿能长晶炉；京运通的长晶炉则主要用于自身硅片生产。

 

 

金刚线和切片机主要应用在切片环节，起到将硅棒截断、硅锭开方，以及硅片切割的作用。

 

主要耗材为电镀金刚石线，就是在钢线外边电镀上一层包裹有金刚石颗粒的金属镍，使金刚石固定在钢线基体上，制成一种线性超硬材料切割工具。

 

使用时将金刚线压在硅材料表面，然后让金刚石颗粒在钢线的带动下快速移动，就像锯木头一样，将硅棒切割成了硅片。

 

 

金刚线的发展趋势是细化，因为金刚线做的更细可以有效降低切割过程中的硅损耗，提升单位硅料的出片量，降低产业链的成本。

 

2011-2012 年，金刚线母线直径约为 120 微米，到 2022 年，金刚线母线直径约为 38 微米，钨丝金刚线直径已降至 20 微米以下。

 

不过据高测股份透露，碳钢丝金刚线未来依然存在细化空间，短期之内钨丝金刚线很难取代。

 

金刚线在光伏硅片的总体成本中占比很小，182mm 的硅片中，金刚线成本约为 0.11 元/片，占硅片总体成本的 2%，在非硅成本中占比约为 13%，相对较低。

 

因此金刚线的价格波动对硅片成本影响较小，下游对这一产品的价格也不是很敏感，因此才有可能赚到比较高的利润空间。

 

 

使用金刚线将硅棒切割成硅片需要用到切片机，要想切出超薄硅片，需要用到高精密的切割设备以及高质量的金刚线，再加上优秀的切割工艺。

 

硅片切割过程中，需要金刚线切片机内部超过 300 个部件高精密协调配合，才能保证切片机高速、高精度、稳定地工作。

 

由于目前全球硅片产业主要聚集在中国，所以金刚线的销售 95%也都是出于中国境内，也有部分企业采购金刚线后发往海外的分支机构，但很少直接用于出口。

 

中国的切片机市场也已经基本实现了国产化，海外厂商大体上退出了国内市场，生产切片机的主要企业有高测股份、宇晶股份、连城数控、晶盛机电，生产金刚线的主要企业有美畅股份、高测股份、恒星科技、东尼电子等。

 

04 电池片生产设备

 

电池片当前的主要趋势是 N 型电池的 TOPCon 与 HJT，还有一个 IBC，但 IBC 工艺过于复杂，成本过高，就提升那一点效率来讲不太具备性价比，可以作为一种技术与其他电池技术路线融合使用来提升效率。

 

 

之前提到过 TOPCon 与现有 P 型电池的 PERC 产线具有较高的兼容性，新增多晶硅薄膜沉积等设备即可由现有 PERC 产线升级为 TOPCon 产线。

 

但通过 PERC 产线升级的 TOPCon 产线，其效率相比新设的 TOPCon 产线还是要低一些。

 

TOPCon 光伏电池的主要生产设备有清洗制绒设备、扩散炉、多晶硅薄膜沉积设备、丝网印刷设备等。

 

其中多晶硅薄膜沉积设备是最核心的生产设备，LPCVD 是目前主流路线，LPCVD 与湿法刻蚀设备是需要在 PERC 产线基础上新增的设备。

 

 

简单介绍下这几种设备，首先是清洗制绒设备，由于清洗工艺相对简单，设备的复杂程度也较低，国内设备已经能够满足使用需求，但随着产能不断扩张，市场对单机大产能以及全自动化需求不断提高。

 

单晶制绒工艺目前也比较成熟，头部厂商的设备由于稳定性和成熟度都比较高，所以受到市场广泛认可。

 

清洗设备的主要企业有北方华创、捷佳伟创、张家港超声、上海釜川等；制绒设备主要企业有 Schimid、Rena、捷佳伟创、北方华创、苏州聚晶。

 

第二个是硼扩散环节，低压扩散设备由于具备较强的性能优势，目前占据扩散类设备主要市场份额，新建产线主要配置低压扩散+低压氧化设备。

 

目前国产扩散炉单批次扩散产能已经从 150 片发展到 1600 片以上，同时耗能大幅减少，扩散方阻均匀性大幅增加。

 

扩散炉主要企业有拉普拉斯、捷佳伟创、丰盛装备、湖南红太阳、北方华创、松煜科技等，还有帝尔激光、大族激光也已经布局。

 

第三个是多晶硅薄膜沉积环节，相比 PERC，TOPCon 最大的特征就是在背面制备了遂穿氧化层和掺杂多晶硅层。

 

首先在背面沉积 1-2nm 遂穿氧化层，随后沉积 60-100nm 的薄多晶硅层所形成的钝化层。

 

TOPCon 的多晶硅薄膜层沉积路线有 LPCVD、PECVD 与 PVD 这几种，LPCVD 是目前最主流的路线，但是存在绕镀高、良率偏低等问题，未来 PECVD 具有较强的发展潜力。

 

LPCVD 主要企业有拉普拉斯、北方华创、普乐新能源等。PECVD 主要企业有捷佳伟创、湖南红太阳、金辰股份、北方华创等。

 

最后是丝网印刷环节，目前新增产线主要采取高精度对准、大硅片印刷设备，早期丝网印刷设备以进口为主，现在基本被国产替代，国产设备基本占领新增产线市场并且已经向印度、土耳其等新兴光伏市场出口。

 

此外，国产印刷设备智能化水平也有了长足进步，目前已经能对各生产流程进行实时追踪记录与分析。该环节的主要企业有迈为股份、捷佳伟创、金辰股份、Baccini、科隆威。

 

再看 HJT 工艺的光伏电池，HJT 电池虽然性能比较好，但不像 TOPCon 电池那样，HJT 电池与传统 P 型电池工艺差距较大，无法在原有产线上升级，只能重新投产线，这多少限制了 HJT 电池的发展速度。

 

HJT 光伏电池的核心生产步骤有清洗制绒、非晶硅薄膜沉淀、TCO 薄膜沉积以及电极金属化，其中，非晶硅沉淀与 TCO 薄膜沉积是主要环节，其设备价值占比合计超过 70%。

 

 

非晶硅薄膜沉积目前主流技术为 PECVD，就是利用等离子体增强的化学气相沉积系统，在制绒清洗后的硅片表面沉积 5-10nm 的非晶硅膜层。

 

TCO 薄膜沉积环节的主流技术为 PVD 技术，PVD 又叫物理气相沉积设备，在制作 HJT 光伏电池时，用来沉积氧化铟锡(ITO)，也就是透明导电层。

 

PECVD 和 PVD 主要设备厂商有迈为股份、钧石能源、理想万里晖、梅耶博格和捷佳伟创几家。

 

05 组件生产设备

 

光伏组件的生产流程主要包括了激光切片、电池片焊接、组件层叠、EL 测试、组件层压以及配件安装等环节。

 

其中，配件安装包括修边、光伏边框的安装以及光伏接线盒的安装，以上这些主要生产流程完成后，还需要对组件进行清洗，以去除表面污渍、增强透光率，IV 测试检测组件输出功率，成品检验以及包装。

 

电池片焊接与组件层压是光伏组件生产环节中最重要的两个步骤，将直接影响组件的成品料、输出功率及可靠性。

 

 

光伏组件生产设备主要有串焊机、层压机、激光划片机、EL 测试仪，IV 测试仪、装框机、打胶机、上下载机械手等，目前中国组件生产设备已经全部实现国产化。

 

预计随着组件设备性能的进步、单台设备产能以及组件功率的还将不断提升，预计到 2025 年，单 MW 产线光伏组件设备投资额将会下降到 5.4 万元。

 

 

串焊机是晶体硅光伏组件封装生产线的核心设备，具有结构复杂、实现困难的设计特点，又因为涉及电池片的银浆、镀锡铜焊带和助焊剂的焊接，具备较强的工艺属性，是晶体硅光伏组件制造环节较晚实现国产化的设备。

 

近几年，电池片和组件封装工艺不断导入新材料和新技术，以此来降低成本和提升光电转换效率，串焊机的性能也需随之不断提升和改进，因此串焊机是晶体硅光伏组件环节中升级较快的设备。

 

层压机是把多层物质压合在一起的机械设备。光伏组件层压机是用于把 EVA、太阳能电池片、钢化玻璃、背板在高温真空的条件下压成具有一定刚性整体的一种设备，它是实现自光伏原材料向光伏组件过渡的关键环节。