2023年铜电镀行业研究 光伏需求扩张带动电池片需求提升
核心观点：
铜电镀：最具降本潜力的光伏技术之一，预计目前可实现降本0.04元/W 光伏铜电镀技术是采用金属铜完全代替银浆作为栅线电极，具备低成本、高效率等优势。可用于TopCon、HJT、BC等多种技术路径，其中HJT银浆用 量相对较大，运用铜电镀技术的需求更为迫切。铜电镀优势体现在1）低成本：相较于HJT传统丝网印刷技术，预计目前可实现0.04元/W的成本下降。 随着铜电镀设备逐步成熟，后续降本空间可观；2）高效率：相较于传统丝网印刷技术，铜电镀可以实现0.3%-0.5%的光电转换效率提升。
(资料图片仅供参考)
图形化和金属化为光伏铜电镀工艺的核心环节，多技术路径共存，设备厂商百家齐放 光伏铜电镀工艺流程可分为种子层制备、图形化、金属化、后处理环节，其中图形化和金属化为核心环节。1）图形化：以曝光机为核心设备，主要技 术路径为传统掩膜光刻、激光直写光刻（LDI）、激光开槽，主流厂商为苏大维格、芯碁微装、帝尔激光、捷得宝、太阳井等；2）金属化：电镀设备 主要技术路径为垂直式电镀、水平式电镀、插片式电镀，主流厂商为罗博特科、东威科技、捷得宝、太阳井等。
光伏铜电镀产业化处于加速期，预计2024年有望迈入量产阶段，到2030年设备市场规模有望达到275亿元 1、产业化进程：1）发电/制造厂商：①国电投：中试线正在运行，预计第一条量产线于2023年7月份开始安装；②海源复材：中试线情况较好，铜电 镀技术已趋于成熟，降本增效比较明显，2023年具备产业化能力，有望于2024年形成规模化产能；③通威股份：2020年与太阳井大成战略合作，布局 光伏铜电镀；④隆基股份：2019年以来公司申请多项铜电镀相关专利，提前布局光伏铜电镀技术；2）设备厂商：迈为股份预计2023年运行中试线。 2、市场规模：预计2030年光伏铜电镀设备市场空间有望达到275亿，2022-2030年 CAGR=77%。
1、【光伏行业】N型电池放量，铜电镀助力降本增效
1.1、光伏需求扩张带动电池片需求提升，N型电池成为主流
光伏需求扩张：伴随未来光伏价格和成本的持续下降，光伏装机需求有望持续加速增长。预计2030年全球光伏新增装机需 求达1189-1472GW（平均1330GW），2022-2030年CAGR达23%-26%（约6倍空间）。 N型市占率提升：2022年伴随着能源危机及乌俄战争的影响，可再生能源装机量增长超预期，其中光伏新增装机量显著提升。 根据InfoLinkConsulting数据，2022年全球光伏需求量达278GW，同比提升56%。其中，N型电池产能快速增长，市占率 将迅速提升。2022年N型电池出货量约20GW，市占率超7%。根据PVInfoLink预测，到2030年，N型电池市占率将超50%。
1.2、银浆用量大成为降本难点，HJT非硅成本中银浆占比约59%
银浆用量大成为降本难点：根据CPIA《2021-2022年中国光伏产业年度报告》，2021年全球银浆总耗量达3478吨，我国电 池对应银浆总耗量为3074吨。随着光伏行业不断发展，电池片产量持续高增，银浆耗用量将持续增加。根据CPIA《中国光 伏产业发展路线图（2022-2023年）》，2022年P型电池消耗量约91mg/片（正银65mg/片、背银26mg/片）；N型 TOPCon电池双面银浆、银铝浆*（95%银）平均消耗量约115mg/片；HJT电池双面低温银浆消耗量约127mg/片。由于 HJT银浆消耗量较高，银浆成本占比更高，降低银耗量的需求更为迫切，因此我们主要探讨铜电镀在HJT的发展情况。
HJT大规模产业化制约因素在成本：HJT成本比PERC高约0.2元/W，主要体现非硅成本上：1）设备投资高：3-4亿/GW， 比PERC高一倍；2）组件封装材料贵：大量使用POE；3）银耗量大：约127mg/片；4）银浆成本高：低温银浆比高温银浆 高10%以上。
1.3、HJT技术路线多，降低银耗量是HJT产业化关键
HJT降本路线清晰，降低银耗量是关键。未来HJT主要依靠硅片降本（薄片化、N型硅片规模效应）、设备国产化、靶材国 产化和银浆降本（国产化、降低银耗量）来实现。低温银浆国产化：目前国产低温银浆已起量（常州聚和、苏州晶银、浙江凯盈等），打破日本垄断。 丝网印刷技术：传统的晶硅电池金属化技术，目前正通过工艺优化降低低温银浆消耗量。
1.4、降银一：多主栅技术可提升约0.2%的效率，节省正银耗量25∼35%
栅线会遮挡部分太阳光进入电池,为提高电池转换效率则希望栅线越细越好,然而栅线越细则电阻损失越大,填充因子也因此降 低,所以太阳电池栅线设计的核心是平衡遮光和导电的关系。 多主栅技术（MBB）：增加主栅线的数量以减小主栅线和细栅线物理尺寸，从而减少遮光和降低单位银耗量。根据光伏們数 据，多主栅技术可提升约0.2%的效率，节省正银耗量25∼35%。SMBB即SuperMBB，与MBB在串焊方面有区别。目前主要 通过丝网印刷+多主栅技术以及减小栅线宽度来减少正银消耗量。
1.5、降银二：无主栅技术为梅耶博格专利技术
无主栅技术：以圆形镀层铜丝连接电池细栅，汇集电流的同时实现电池互连，在电池层面取消了传统的主栅。 梅耶博格利用“SmartWireConnectionTechnology”（SWCT）技术一层内嵌铜线的聚合物薄膜覆盖在异质结电池正面，其 制作的6英寸无主栅HJT电池效率超过24%，正银消耗量减少80%，但其设备造价昂贵，电池可靠性有待验证。
1.6、降银三：激光转印可降低银浆耗量30%以上
激光转印：可实现超细线宽（25微米以下）的金属栅线的无接触印刷，在提升转换效率的同时，降低银浆耗量20%-30%。 此外，激光转印采取无接触加工方式，较传统丝网印刷可以降低电池的破损率，提高良率，更适用于未来薄片化、大尺寸硅 片生产。 激光转印技术应用前景广阔。在PERC、TOPCon、HJT、IBC电池中均有广泛的应用前景，可配合银包铜等各种特殊浆料叠 加使用持续降本。
1.7、降银四：银包铜技术有望降低电极成本30%
银包铜：采用银包铜粉作为导电填料制备HJT低温浆料。铜的导电性仅次于银，价格便宜，且银粉在低温银浆总成本中占比 超98%，根据《引领光伏技术新一轮革命》数据，银包铜技术将降低电极成本30%。我们预计银包铜+MBB技术有望将银 浆用量降低到100mg/片。
2、【光伏铜电镀】降本增效，有望成为HJT主流技术路径
2.1、光伏铜电镀已发展多年，2023年产业化进程有望加速
光伏铜电镀技术已发展多年：2004年，SunPower在其Maxeon系列的IBC电池上运用铜电镀技术；2011年11月，日本 Kaneka公司和比利时IMEC微电子研究中心在第21届国际光伏科学和工程大会上展示了无银HJT电池，通过电镀铜连接6英 寸硅基板的透明导电氧化层，实现超过21%转换效率；2015年11月，Kaneka公司宣布采用铜接触金属化的双面异质结晶硅 太阳能电池效率创纪录达25.1%。 2023年产业化进程加速：2020年以来，国内多家光伏/发电企业纷纷布局铜电镀技术，并与设备公司进 行合作，2023年产业化进程有望加速。
2.2、铜电镀替代传统丝网印刷环节
电镀铜工艺的基本原理：利用电解化学反应在基体表面镀上一层金属铜膜层的方法。电镀铜工艺过程中发生的电解化学反应 简要概述如下：阴极反应：①Cu2++2e -→Cu，②2H++2e -→H2阳极反应：①Cu-2e -→Cu2+②4OH--4e -→2H2O+O2 。铜电镀：铜电镀是一种非接触式的电极金属化技术，在基体金属表面通过电解方法沉积金属铜制作铜栅线，收集光伏效应产 生的载流子。是对传统丝网印刷环节的替代，可分为“种子层制备、图形化、金属化、后处理”四大环节。
2.3、金属铜代替贵金属银浆，助力成本下降
金属铜代替银浆，助力成本下降。金属铜导电性能好、成本低廉，是替代银进行金属栅电极化的理想材料。1）导电率：银 的电导率为6.30*10^7西门子/米，铜的电导率为5.96*10^7西门子/米，相差不大；2）价格：但是铜的价格仅为银价格的 1/100，是非常理想的替代材料；3）栅线宽度：铜栅线宽度可做到20um，相对于银栅线的30-40um更细，有助于节省浆 料。
2.4、金属铜代替贵金属银浆，助力成本下降
HJT铜电镀成本显著低于传统丝网印刷：在不考虑良率的情况下，HJT铜电镀成本将比丝网印刷成本低0.04元/W。假设HJT丝 网印刷良率为98%，则当HJT铜电镀良率为78.3%时可打平HJT传统丝网印刷成本。 预测假设：1）PERC、TopCon、HJT（丝网印刷）的耗银量分别为91、115、127mg/片；2）高温银浆价格为4月21日银浆 价格，低温银浆价格相较高温银浆溢价2000元/kg；3）铜电镀其他材料成本、废水成本分别约0.06元/W、0.01元/W；4） HJT（铜电镀）新增设备投资为15000万元，折旧为6年。
2.5、铜电镀兼具增效优点，实现0.3%-0.5%的光电转换效率提升
铜电镀可实现0.3%-0.5%光电转换效率提升。为充分收集光伏效应产生的载流子，一般通过丝网印刷技术制备金属电极，引 出光生电流。受异质结电池工艺温度的限制，低温浆料的退火温度不超过250℃，电极的导电性较差，电阻率约为6~10Ω∙m， 是高温浆料的3~6倍，导致其电极功率损耗远大于常规电池，而铜金属化电极具有更小的金属线电阻1.7Ω∙m，导电性能佳； 此外由于铜栅线相较于银栅线可以做到更细，导致铜电镀的遮光损失相对较少，将有效改善载流子收集；同时电镀铜电极的 内部致密且均匀，没有明显的空隙，可有效地降低电池电极的欧姆损耗。综合来看，铜电镀技术相较于传统技术可以实现 0.3%-0.5%的效率提升。
3、【光伏铜电镀设备】铜电镀工艺流程共四步，设备市场空间大
3.1、工艺流程分为四步，设备市场空间较大
铜电镀工艺流程主要分为四步：1）种子层制备：为了改善金属与透明导电薄膜的接触及附着特性，引入种子层，增加电镀 金属与TCO之间的附着性能；2）图形化：通过图形转移技术选择性的获得电极设计图案，具体工序包括掩膜、曝光、显影 等；3）金属化：将电池片插在电解池中还原溶液中的铜离子为铜金属，完成铜的沉淀，是金属化的一部分；4）后处理：主 要是对感光材料和种子层的去除，保证TCO层能够露出。在铜电镀设备中，曝光和电镀设备为两大核心设备。
3.2、种子层——技术成熟，PVD成为主流
种子层制备：直接在TCO上电镀，镀层和TCO间的接触为物理接触，附着力主要为范德华力，容易引起电极脱落，且在TCO 上电镀金属是非选择性的，需在电镀之前在透明导电薄膜表面沉积种子层（一般为100nm），增加电镀金属与TCO之间的附 着性能。 种子层材料：种子层的材料可以采用金属铜（Cu）、镍（Ni）、铜镍合金进行制备，超高深径比或特殊结构可能需要采用金 种子层。
种子层工艺：种子层制备方法包括物理气相沉积（PVD）、化学气相沉积（CVD）、印刷、喷涂等。目前主流方法为PVD大 面积沉积，PVD技术是指在真空条件下采用物理方法将材料源（固体或液体）表面气化成气态原子或分子，或部分电离成离 子，并通过低压气体（或等离子体）过程，在基体表面沉积具有某种特殊功能的薄膜的技术，在异质结的制备过程中，透明 导电薄膜和种子层的制备可以使用一台PVD设备，只需将靶材更换为金属铜。
3.3、图形化——铜电镀核心环节之一
图形化是核心步骤，通过图形转移技术获得电极设计图案，实现选择性电镀。具体工序包括掩膜、曝光、显影等。掩膜：主要作用是遮盖非刻蚀部分，在电镀环节保护不需要被电镀的部分。其材料主要分为干膜、湿膜。 1）干膜：干膜是一种高分子的化合物，它通过紫外线的照射后能够产生一种聚合反应形成一种稳定的物质附着于板面，从而达 到阻挡电镀和蚀刻的功能。干膜由于制造环节较多以及三明治结构导致材料成本不易下降，成本较高，不适用于光伏行业。 2）湿膜：湿膜是一种感光油墨，对紫外线敏感，并且能通过紫外线固化的一种油墨。由于其成本较低且栅线宽度窄的优势，在 光伏行业较为常用，但是由于工艺相较于干膜多了烘干，因此部分情况存在着油墨残留的部分。
显影：按显影效果不同可分为正负光刻胶，正光刻胶是指在光刻过程中，暴露在光线下的部分可溶于光刻胶显影剂，而未曝 光部分仍然溶于显影剂。负光刻胶刚好和正光刻胶相反，是指在光刻工艺中，暴露在光线下的部分不溶于显影剂，未曝光部 分则可以被光刻胶显影剂所溶解。由于正胶成本是负胶的两倍，且光伏栅线要求较窄，现在一般都走负胶路线。
曝光显影是将所需要的图形转移到感光材料上。目前曝光显影的工艺主要有：1）传统掩膜+显影；2）激光直写（LDI）；3） 激光开槽；4）喷墨打印，其中传统掩膜光刻技术中的投影式曝光、激光直写技术（LDI）是目前较为主流技术。 传统掩膜光刻技术：掩膜光刻，由光源发出的光束经掩膜版在感光材料上成像。具体又可分为接近式、接触式、投影式光刻。 相较于接触式光刻和接近式光刻技术，投影式光刻技术更加先进，通过投影的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。具有设备复杂程度低，产能潜力大，降本空间大的优势。代表厂商为苏大维格。
激光直写（LDI）：直写光刻也称无掩膜光刻，是指计算机控制的高精度光束聚焦投影至涂覆有感光材料的基材表面上，无 需掩膜直接进行扫描曝光。目前由于介入光伏较早，所以进展相较于曝光式光刻技术更快，但是也存在着设备造假较贵和设 备产能提升存在局限性的问题。代表厂商为芯碁微装。 激光开槽：激光开槽可以省去曝光显影的步骤，直接在掩膜层上形成电极设计图案。但是精确控制激光对HJT掩膜开槽具有 较高技术壁垒，需要在不损伤本征多晶硅层和掺杂多晶硅层的前提下打开掩膜。代表厂商为帝尔激光。
3.4、金属化——铜电镀核心环节之二
金属化（又称电镀）是铜电镀的核心环节之一，利用电解原理在某些金属表面上镀上一薄层其它金属或合金的过程。目前主流 的技术路线：1）垂直式电镀（东威科技为代表）；2）水平式电镀（捷得宝为代表）；3）插片式电镀（罗博特科为代表）。垂直电镀：垂直电镀广泛应用于PCB电镀铜工艺，夹爪夹住阴电极，竖着挂在电镀槽中进行铜电镀。 1）优势：设备较为成熟，头部设备厂商已有供货。东威科技交付客户2台第二代光伏铜电镀设备，并公告宣布第三代光伏铜 电镀设备可实现节拍为8000片/小时的垂直电镀技术。2）缺点：①产能受限：根据垂直镀的工艺流程，由于受限于机械结构限制单槽夹持的电池片数目，以及考虑夹住硅片并进行 上下移动的耗时，垂直镀路线的产能有受限的可能；②均匀性：由于垂直部分溶液溶度，电流大小不同，电镀过程也存在均匀 性的问题。
金属化（又称电镀）是铜电镀的核心环节之一，利用电解原理在某些金属表面上镀上一薄层其它金属或合金的过程。目前主 流的技术路线：1）垂直式电镀（东威科技为代表）；2）水平式电镀（捷得宝为代表）；3）插片式电镀（罗博特科为代表）。
水平电镀：水平电镀与垂直电镀方法和原理相似，都必须具有阴阳两极，通电后产生电极反应使电解液主成份产生电离，使 带电的正离子向电极反应区的负相移动；带电的负离子向电极反应区的正相移动，于是产生金属沉积镀层和放出气体。 1）优点：①产能相对较高：由于无需手动安装和悬挂即可适应大范围的尺寸，实现全自动操作，因此有助于产能提升；②均匀 性：由于电池表面接触溶液均匀，也保证了最终产品的均匀性和稳定性。 2）缺点：需运用毛刷使得导电滚轮和硅片的沟槽进行有效接触，因此要求毛刷具备导电性佳、细软等特点，这种材料较难获取。
金属化（又称电镀）是铜电镀的核心环节之一，利用电解原理在某些金属表面上镀上一薄层其它金属或合金的过程。目前主 流的技术路线：1）垂直式电镀（东威科技为代表）；2）水平式电镀（捷得宝为代表）；3）插片式电镀（罗博特科为代表）。插片式电镀：将电池片设置在阴极导电支架上，向下插入使得一个导电支撑单元位于相邻量个阳极板组件之间。 1）优点：电镀速率快，产能高的优点。根据罗博特科发明专利，该种电镀方式可实现双面电镀，单线可做到14000整片/小时， 破片率＜0.02%。 2）缺点：消耗铜离子速率较快，后续可能出现铜离子能否补充到位的问题。
3.5、后处理——技术工艺成熟
后处理的主要作用是去除感光材料和种子层，露出TCO层。 工艺主要包括干法和湿法：湿法蚀刻使用溶液腐蚀和刮掉表面，可以快速且廉价的加工，但是加工精度较低，一般适用于尺 度较大（大于3nm）的情况以及用来腐蚀硅片上某些层或用来去除干法刻蚀后的残留物；干法蚀刻不使用溶液，而是使用气 体撞击基板表面进行刮擦，特点是加工精度高。之前，刻蚀后的光刻胶是用湿法完成的，但是湿法很难去除刻蚀中发生变质 的光刻胶，同时存在废液处理问题，因此干法刻蚀去胶成为趋势。蚀刻技术较为成熟：铜种子层的刻蚀工艺已经在半导体行业使用了几十年，技术较为成熟。目前干法刻蚀市场占比90%，湿 法刻蚀占比10%。
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