银作为贵金属,也是应用在工业领域的稀缺金属,地球上储量十分有限,目前除了消费领域外,主要应用在汽车和光伏等工业领域,近年来,随着新能源汽车和光伏产业的发展,全球用银量需求迅速增加,新能源电动车单车银耗有增无减,光伏用银需求暴增。最近全球白银期货现货价格再攀新高。有专业人士认为,如果全球年光伏装机量达到1000GW时,白银将发生供应危机,银耗占光伏成本比重继续上升,会严重制约行业正常发展,目前相关厂商全力寻找解决替代方案,以铜电镀、银包铜工艺正在研发之中。不过爱旭股份用涂布工艺开创无银化技术,并在其ABC电池完美应用。有人说,此地无银胜有银。
1、光伏银浆——光伏发电关键材料
太阳能电池主要由硅片、钝化膜和金属电极组成,其中:光伏银浆是制备太阳能电池金属电极的关键材料。太阳能电池片生产商通过丝网印刷工艺将光伏银浆分别印刷在硅片的两面,烘干后经过烧结,形成太阳能电池的两端电极。
光伏电池银浆是光伏电池片制备的核心辅材之一。主要用于制作光伏电池电极,银浆分为高温银浆和低温银浆两种,在不同光伏电池用不同的银浆能直接影响光伏电池的光电转换效率与光伏组件的输出功率。以目前主流的单晶单面PERC电池片为例,电池片成本构成中,硅片占比约为75%,银浆是成本占比第二高的材料,约占电池片总成本的8.5%,占电池片非硅成本的33% 。
现在光伏电池技术正从P型向N型全面迈进,PERC电池和TOPCon电池使用高温银浆,异质结电池使用低温银浆。但是,对于白银的需求,不降反增。这是因为,无论是TOPCon,还是HJT,无论是对于银浆的消耗,还是银加工费用,比PERC更高。在银耗方面,PERC 银浆耗量 6-8mg/w,TOPCon银浆耗量10-13mg/w,而 HJT 银浆耗量20-22mg/w。不过2022 年,PERC电池片主栅数量从9BB改为11BB 及16BB,正银消耗量降低至约65mg/片,背银消耗量约26mg/片;N型TOPCon 电池双面银浆(铝)(95%银)平均消耗量约105mg/片以上;异质结电池双面低温银浆消耗量约130mg/片以上。
在加工费方面,当前Perc正银加工费约500元/KG,TOPCon加工费高出Perc正银300+元/KG,而 HJT加工费高出Perc正银1000+元/KG。
2、银,库存告急——光伏用银需求旺盛,供给受限催生潜在供需紧张
白银的生产,绝大部分都是从铜、铅锌等金属冶炼的过程中,伴生而来的,大家也可以看到,世界上矿产银的来源70%以上是靠铜、铅锌、黄金伴生而来的。2021年矿产银的主要生产国有墨西哥、秘鲁、中国等。中国矿产银86%是由铜铅伴生的方式得来。
因而,银作为伴生矿的产物,在全球矿产需求低迷的当下,由其他矿产挖掘开发带来的供给增量是极难明显增长的。根据《世界白银报告2023》的资料数据,从2014年至今约10年的周期内,银作为矿产产出的整体供给在收缩,即便算上略有增长的银制品回收再利用,每年的实际供给量也只能艰难维持在1000百万盎司的水平。
谈及银的传统下游场景,主要为珠宝首饰、电子电气等工业零部件、焊接焊料、实物投资等用途,2020年前整体行业处于供大于求的格局。
与其他用途需求停滞或下滑截然不同的是,白银在光伏场景的应用在近年来明显增长,且在2022年实现了约28%的需求增速——从2014年彼时不足5%的年度供给占比到2023年接近20%,光伏行业/光伏银浆对于银的需求逐渐在全球银供给-需求的格局上占据了越来越重要的地位。
从工业用途来看,光伏银耗占整体工业银耗的比重也从2014年的略超10%上升至2023年预计接近30%的水平。
也正是因为光伏等场景带来的增量需求,使得这两年全球银的消耗明显高于银矿的产出,银供给大于需求的过剩态势在近两年发生了明显扭转。
随之而来的,就是全球银的库存正在发生快速的减少。根据metal Focus对全球各主要贵金属交易所交割库存的清点,仅2022年全球主要交易所的银库存就减少了23%。
可以预见的是,光伏行业在2030年前必然会发展为年度装机超过1TW(1000GW)的市场而正式进入了TW时代,而在行业快速增长的过程中,光伏对于银需求的边际增长讲很有可能进一步导致银行业的供给失衡态势,银价因此将很有可能迎来显著、持续的上涨行情。
即便考虑未来各种N型电池路线逐渐引入降银的成本优化手段,但随着整体产出的大幅提升(从过去年度100~200GW的装机到未来的1000+GW装机),光伏银浆的银耗量都将占据工业用银需求的显著比例,甚至可能接近其他工业用途的银耗量总和!
世界银行也做出预测,到2050年,能源技术中的白银消费量可能会急剧增长,达到目前白银总需求量的50%以上。光伏和新能源汽车的发展,有望成为推动白银工业需求增长的主要动力。
另外,根据世界白银协会统计,2023 年全球白银供给量在 2.5 万吨至 2.6 万吨,缺口大约在 4000 吨左右,库存也处于历史低位。业内人士认为,2023 年白银价格或将震荡上行。
3、繁荣下的隐忧——银浆国产化不改银粉依赖进口事实
光伏正面银浆主要由高纯度的银粉、玻璃粉、有机原料等成分组成,其组成物质的含量、形状、微纳米结构等参数均可能对银浆的性能产生影响,因此正面银浆的研发和制备对组成物质的要求十分严格。
得益于国产正面银浆的技术含量、产品性能及稳定性持续提升,近年来正面银浆逐步实现国产替代,2022年国产正面银浆市场占比接近80%。但与此同时,我们也需要正视繁荣背后的隐忧——即银浆原材料银粉仍严重依赖于进口。
银粉质量的优劣性直接影响到电极材料的体电阻、接触电阻等,因此,银浆配方中银粉的选样至关重要;玻璃粉作为银浆中的传输媒介,其含量和成分比例对银浆性能有着重要影响,含量过高会导致银浆导电性能变差,但当含量过低时银浆则无法渗透入钝化层与硅衬底形成欧姆接触,需通过反复试验寻求最优配方。有机原料作为承载银粉和玻璃氧化物的关键组成,其含量和配比对银浆的印刷性能、印刷质量具有较大影响。
2021年,中国全年进口银粉3240吨,其中日本、美国、韩国分别占比91.48%、6.81%、0.86%,超过50%的进口量用于生产光伏银浆。
说到银粉,有一家叫做Dowa(同和控股日本有色金属厂商)的公司不得不提。它是全球银粉的主要供应商,占全球光伏银浆用银粉50%以上的市场份额。其银粉粒径小、分散性和有机物包覆效果很好,而且质量稳定。此外,美国AMES公司也在银粉市场占有一定市场份额。
因而国内主要银浆厂商如聚合材料、帝科股份90%以上原材料采购自DOWA,也就不足为奇了。
国内虽然也有银粉厂家,如苏州思美特、宁波晶鑫、苏州银瑞等,但国产银粉质量仍与进口银粉存在一定差距,主要差距在于分散性和有机物包覆性。
在银浆作为主流导电印刷材料的当下,要真正实现光伏全产业链的自主可控,银粉仍是绕不开的一道坎,其国产化之路任重而道远。如果国外未来限制对我国出口,对中国光伏产业发展是灾难。
4、破局之道——无银化以终为始,爱旭厚积薄发再次引领行业迭代
正因为银浆占电池片环节非硅成本的比重越来越高,加之银粉&银浆环节日趋紧张的供需格局,各大光伏厂商都各自努力通过技术革新尽可能减少银浆耗量。
目前,各厂商主要通过多主栅技术以及减小栅线宽度来减少正银消耗量通过可以改进印刷工艺,结合钢板印刷等方法将细栅细化:可以采用SMBB技术(增加主栅数、降低主栅宽度),既能提高电流传输效率也能直接降低银耗,还能增强电池应变能力:可以采用无主栅(OBB) 技术,即主栅不用银浆而直接使用导电线、焊带,大幅降低银浆耗量。
银浆成本取决于主栅数量*每根主栅银耗,主栅变细能够减小表面对太阳光的阻挡、降低银浆用量,但也应清晰地认识到变细会增大电阻,为了保证导电性能需要增加一定数量的主栅保证电流通过的横截面积,故主栅设计的核心在于宽度与数量之间取得平衡。栅线变细减少银耗&电阻增大之间的矛盾,注定了栅线优化更多只是过渡性技术,存在效率上限低的问题。
而站在终局的视角,未来浆料降本更应通过金属化技术升级迭代和浆料降本两方面进行。一方面,通过新型金属化技术升级迭代降低银耗:1)非银铜电镀技术;2)激光转印或钢板印刷等新型印刷技术;3)喷墨打印技术。另一方面,可以通过优化浆料降低价值量,实现有效降本,主要包括银包铜浆料和低温银浆国产化。
其中,非银铜电镀技术等无银化技术在所有技术中可以做到无银浆消耗,降本潜力最大,更应是电池厂商的终极方案。
无银化技术相比传统纯银浆料的丝网印刷主要有两点优势——更高的电池效率(更好的导电性)及更低(可控)的生产成本,而降本&提效是光伏产业技术迭代的恒久主题。
一方面,与90%纯度的银浆栅线(银粉构成占比约90%左右,其余为有机物)相比,若使用纯度更高的金属作为导电栅线印刷材料,其更高的纯度会带来更低的电阻,从来导电性更强。以铜栅线为例,铜的体电阻率约1.75μΩ.cm,虽然略高于纯银(银的体电阻率约1.65μΩ.cm),但银浆在烧结之后的体电阻率会达到3~10μΩ.cm,因此反而使用铜栅线的导电性会明显优于银浆路线。
此外,以铜或者其他非银的金属通过非烧结的方式形成的栅线电极内部更加致密而均匀,线电阻相对更低,也利于带来光伏电池更高的效率空间。
另一方面,使用非银的浆料可以明显减少电池制造环节的非硅成本。以目前主流的单晶单面PERC电池片为例,电池片成本构成中,除硅片成本外,银浆是成本占比第二高的材料,占电池片非硅成本的33% 。而使用非银的浆料,其成本与银浆相比几乎可以忽略不计,这将大大提升企业的成本控制水平。
但不可否认的是,无银化是产业内美好的愿景并具备降本+提效的想象空间,但伴随而来的是设备、工艺、材料等多维度的难度升级,也使得无银化工艺成为产业内难以跨越的技术高地。国内一些厂家都在研发攻克技术难关,经过调查,目前还是股票市场炒作而已。
根据异质结铜互联技术提供商苏州太阳井的最新技术推介报告,仅铜互联环节主要设备投资就在1亿元/GW以上,因而在昂贵的初始投资+技术尚未成熟情形下,对于分毫必争的光伏产业,注定了产业链大批量导入相关技术尚需时日。
而在光伏技术演进史上,爱旭所引领的创新无疑是浓墨重彩的标记之一。从“管式PERC”到“双面双测双分档”,再到率先响应大尺寸硅片迭代量产210mm电池,精准踩在技术变革节点的爱旭,充分展现了技术之王的前瞻与霸气。
而在无银化这一步上,爱旭掌握并采用了全球首创的银浆替代技术,通过自有专利+自有设备的布局实现了ABC电池的全无银金属化量产制造,该公司在广东珠海6.5GW的ABC产能中完全应用无银化技术,效果十分理想,保证了电池过程0%的银含量,再一次引领了行业的迭代级创新。
2023年4月,爱旭数字能源的ABC组件荣获有工业设计界“奥斯卡”之称的德国红点奖Reddot winner 2023,代表着除产品的创新表现外,功能性、耐用程度、直观易用、质量、环保、产品周边系统的整合等多方面指标都经过了严苛的评审检验。
不仅限于此, 爱旭组件更是在6月德国慕尼黑展会斩获Intersolar AWARD 2023创新太阳能技术大奖——这是业界最具含金量的奖项之一,堪称光伏业“奥斯卡”,也是欧洲最权威的太阳能光伏奖项。该奖项旨在遴选光伏行业年度最具创新性和颠覆性的产品和技术。
评审专家组还对ABC组件的无银化技术予以高度评价:“这项开创性的技术显著减少了银的消耗,提供了更利于环保的可持续方案”。
无银化作为解决光伏银耗瓶颈的终极方案,爱旭已经率先给出了答案,势必又会引领一次行业创新,共同助力建设一个更低碳、更环保的未来社会。
原标题:ABC电池的全无银金属化量产制造