电镀铜：去银化新型技术，助力N型时代降本

                                                                                                                 2023-1-8机智猫

HJT是目前公认的光伏电池主流技术路径，但成本仍然是制约因素，其中银浆占HJT非硅成本的近50%。

目前电镀铜技术是重要的“浆料降本”路径之一，据介绍，电镀铜有“效率提升和节约成本”两种优势。

电镀铜可以把格栅的线路做的更细（格栅，电池表面起到汇聚电流的作用，细的话减少占电池片的面积，增加发电效率）

同时铜是纯导体电阻大概是2欧，而银浆是银粉+有机物，银浆是电阻大概是5欧。

节约成本，尽管目前电镀铜工艺的设备价钱较贵，但铜的价格，最终还是比白银便宜。

根据太阳井（电镀设备厂商）的介绍：我们的方案做得好到量产时可以达到1毛/W（这是指金属化全部成本，其中材料是6-8分，加上设备折旧、人工总共1毛左右）；目前这个阶段肯定比这个数字高。（这个是推论）

HJT银浆现在成本0.15元/W，加上一些其他的应该总的材料成本是在0.2元/w。

根据一些买方朋友的介绍，认为电镀铜介绍比较靠谱，HJT这边降银耗需求很迫切，现在瓶颈主要是设备产能。（此外还有介绍，目前国内电镀设备环节不行，电镀技术主要有3大环节，种子层制备、图形化和电镀）

现在各家都在准备搭中试线，量产预计得24年中往后，其中通威投了太阳井（电镀）。曝光机买的芯碁（qi）微装的设备。

隆基是买芯碁（qi）微装和东威科技的的设备。

根据弘则介绍（今年8月），目前迈为股份设备在优化，安徽华盛在上中试线；晶澳科技，电镀线是有的，曝光机和激光直写LDI还没有购买；

隆基的电镀线是自己搭配的，曝光设备买的芯碁微装的；通威股份也是后面会买的芯碁微装的，现在在和合肥芯碁的设备谈；还有国电投；目前整个头部都在走这个铜电镀技术，明阳年后会上一条比中试线量大一点的，300MW的设备，现在在和芯碁在谈整体的打包方案；爱旭股份目前也在走这个铜电镀路线。

一、电镀铜应用的背景

1、N型太阳能电池新技术发展前景明确，预计市场占比逐年提升。

目前主流的太阳能电池为单晶PERC电池，但N型电池（HJT和topcon）符合光伏行业降本增效的大背景、性能更为优异：

00001. N型电池单瓦发电表现更具优势，N型电池双面率更高，可以更好利用背面反射光线；

00002. N型电池温度系数高，在温度更高的环境下，功率损失更少；

00003. N型电池衰减慢，其硅片中没有硼元素，效率损失大幅降低，而P型电池掺杂硼元素，会和残留的氧产生硼氧复合，降低光伏电池的活性。

N型电池相比P型电池转换效率更高，而且具备提效空间，需求有望迎来增长。

根据《中国光伏产业发展路线图》（2021年版），预计2030年TOPCon电池工艺和HJT电池工艺合计占比有望过半，成为电池片领域的主要工艺路线。

光伏扩产浪潮下，N型电池占据主要地位。

据不完全统计，今年以来光伏电池公布的扩产规划超410GW，其中230.6GW已经明确为N型电池扩产，占比近56%，剩余扩产项目尚未公开技术类型，多标明为“高效电池项目”。

在N型电池扩产规划中，有十余家公司选择异质结（HJT），扩产规模101.1GW；6家企业选择TOPCon路线，扩产规模64GW。

00001. N型电池单瓦银浆耗用量高于P型电池。

随着大硅片和薄片化时代来临，大硅片对应浆料印刷面积变大、薄硅片加速浆料无接触印刷的需求，在N型电池中，TOPCon和HJT都是双面电池，银浆用量相比P型的PERC增加，且HJT电池使用的低温银浆为保证导电性，其银含量高于高温银浆，因此银浆消耗量更大，并且低温银浆主要依赖日本进口，价格显著高于高温银浆。

银浆耗用量增大是限制光伏行业未来发展的痛点，降低银耗成为N型电池降本关键。

根据阿特斯数据，目前PERC电池单瓦银浆平均耗用量13mg，TOPCon和HJT电池的平均银耗分别为15mg/W和25mg/W。

来随着N型电池不断替代P型电池，新增装机量逐年增长，光伏行业将大幅增加对银浆的耗用量，导致浆料价格上涨客户成本承压。

根据集邦新能源数据，TOPCon和HJT电池非硅成本中，银浆成本分别占36%和46%，降低银耗成为N型电池降本的关键，也是行业亟需解决的问题。

3、随N型电池扩产落地，光伏用银需求将快速增长。

据CPIA预测，未来PERC电池片市占率将逐步下降，到2025年，PERC/TOPCon/HJT市占率将分别达到61%/20%/15%。

在N型电池逐步开始替代P型的背景下，每年新增装机以TOPCon和HJT为主，我们假设新增装机中TOPCon/HJT分别占比40%/40%，其他新增装机路线银耗与PERC相近，根据CPIA预计2025年全球新增装机300GW，测算得到2025年全球光伏电池片用银需求量达到5580吨，占2021年全球银矿产量的23.25%。

随着年度新增装机量的提升，光伏用银需求持续增长可能会推高银价，同时有限的银矿产量难以支撑光伏行业的快速发展。

4、浆料降本路径

银浆成本高，降本路径主要有：一是减少高价低温银浆用量，例如多主栅（MBB）、激光转印；二是减少银粉的用量，使用贱金属替代部分银粉，例如银包铜、电镀铜。

其中，铜电镀技术在所有技术中可以做到无银浆消耗，降本潜力最大。

00001. 

00002. 电镀铜的优势

电镀铜是去银化典型技术之一，以电镀铜制备铜栅线替代传统丝网印刷银浆的电极化方式，从而达到去银并降本的目的。

铜栅线电阻损耗和栅线线宽优于传统丝网印刷制备的银栅线，可以实现0.2%以上的效率提升。

一方面，铜栅线电阻率低，一般比银栅线低2-3倍，且能够降低接触电阻。

另一方面，丝网印刷银栅线线宽较宽且线高一致性相对较差，尤其是低温银浆结构松散，浆料间粘连且存在较多纳米级的孔洞影响载流子传输，增大电极电阻。

而电镀铜电极形态较好，线宽可以做到20μm以下，降低电极遮挡损耗和接触损耗。

（另有介绍，银浆是部分银粉+有机化合物，不是纯金属，电阻大概5欧，电镀铜是纯金属，电阻大概2欧，因此效率能够提升一些）

电镀铜使用贱金属铜替代贵金属银，通过栅线材料的变化，直接解决光伏电池片成本中银浆成本占比较高的问题，尤其对于N型电池优势明显，降本效应更为突出。

此外，电镀铜工艺可以实现双面同时电镀，电池正背面电极能同时制作，制造效率明显提升。

同时，长江表示铜电镀亦面临一定局限，工艺有待优化和改进。

00001. 新增沉积种子层、镀掩膜、掩膜刻蚀和去种子层等技术工艺，成本和良率或有劣势。

00002. 湿法沉积工艺铜电极结构紧实，栅线弹性差。

00003. 同时存在环境问题，且铜易氧化，而氧化铜电导率较低，增加损耗。

三、电镀铜应用现状

从具体布局来看，当前布局研发电镀铜工艺的公司包括隆基绿能（601012）、通威股份（600438）、海源复材（002529）等，同时，爱旭股份（600732）也在布局无银化技术。

设备端，布局电镀铜各工艺环节设备的公司除捷佳伟创（300724）、迈为股份（300751）提供部分设备外，在核心图形化环节的设备厂商包括帝尔激光（300776）、芯碁微装（688630）；电镀设备公司包括东威科技、捷德宝、罗博特科、太阳井等。

2021年10月，金石能源发布独家首创一种异质结电池栅线互连技术，可实现免银浆异质结电池的串联。

2021年11月，海源复材与苏州捷得宝签约合作铜栅线技术，海源复材拟向捷得宝表示，包括TOPCon和HJT在内，全球有12家客户与其持续进行铜栅线验证

太阳井官网显示，2021年12月，公司全球首创低成本异质结铜互联大试线交付。

2022年3月，迈为股份公众号披露，联合澳大利亚金属化技术公司SunDrive利用可量产工艺在全尺寸(M6尺寸，274.3cm²)单晶异质结电池上转换效率达到26.07%。金属化工艺由SunDrive在其最新一代无种子层电镀中试设备上完成，在电镀速度以及栅线的高宽比方面进行了优化。

2022年5月，根据东威科技投资者交流纪要，异质结光伏铜电镀设备的试验机已经交付，处于样机不断完善的第二阶段，有多家意向性客户在洽谈过程之中。

2022年6月，罗博特科年报披露，2021年实施了太阳能电池铜电镀制备电极研发项目，研发适用于太阳能电池的大产能垂直连续电镀设备和前道掩膜层制备及后道刻蚀清洗装备；近期公司投资者关系活动关系表披露，铜电镀按照既定规划正稳步推进。

电镀铜什么时候能大规模应用

根据东吴机械最新表述，电镀铜可降本增效，预计2024年实现量产

与市场理解有差异的是，不用银作为接触导电金属，电镀铜可提高电池片光电转换效率。

目前的细栅线宽42μm，攻克铜电镀的技术难点后，比如把线宽做到20μm，大概有0.5pct的提效。线宽做到10μm，还能有0.4-0.5pct的提效，也就是26.3-26.4pct。

电镀铜两个核心工艺为图形化和电镀，（1）图形化环节光刻or激光需要验证。迈为股份、苏大维格布局类光刻技术，芯綦微装、天准科技布局激光直写工艺，帝尔激光布局激光开槽技术；

00001. 电镀环节环保问题和产能问题需要克服。东威科技、太阳井（未上市）、启威星（未上市）等布局电镀环节。

但电镀铜工艺复杂，产线投资额较高（电镀铜设备单GW1亿元以上，而丝网印刷机3000-4000万/GW），同时还需要解决电镀铜污染环境的问题，我们判断未来电镀铜or银包铜胜出需观察银包铜量产和降本的速度。

四、电镀铜工艺

工艺来看，电镀铜的核心环节包括种子层制备、图形化工艺和电镀及后处理工序。以HJT电池电镀铜工艺为例，具体工艺流程：

00001. 电池片表面制备种子层（存在不同技术路线，一般使用PVD（物理沉积））；

00002. 电极图形化，主要用于形成栅线图形，以利于后道电镀的进行，在图形化工艺方面，目前存在不同技术路径；

00003. 电镀铜及后处理工序，采用垂直电镀或者水平电镀的方式在种子层及掩膜开槽部分完成铜电镀，选择性地形成铜栅线。

电镀完成后，对栅线部分以外的剩余掩膜及种子层进行选择性刻蚀。在整个电镀铜工序环节中，电极图形化和电镀为关键工艺环节，尤其是电极图形化。

通俗来讲，铜电镀与传统丝网印刷的差异主要在TCO膜制备工序之后，前两道的工艺制绒与PVD溅射未变；

传统异质结产线在TCO膜制备之后采用银浆印刷和烧结，而铜电镀则把银浆丝网印刷替换成制备铜栅线的图形化和金属化两大工序。

注：TCO膜（透明导电薄膜）

HJT电池为对称双面电池结构，中间为N型晶体硅，然后在正面依次沉积本征非晶硅薄膜和P型非晶硅薄膜；而硅片背面则依次沉积本征非晶硅薄膜和N型非晶硅薄膜形成背表面场。

而由于非晶硅的导电性比较差，因此在电池两侧沉积透明导电薄膜（TCO）来进行导电，最后采用丝网印刷技术形成双面电极。

这个导电层，就需要溅射靶材，目前HJT电池主要用的靶材是ITO(氧化铟锡)靶材

1、种子层制备

铜栅线制备的关键是要实现选择性电镀，电镀前种子层制备及图形化工艺发挥十分重要的作用。

目前种子层制备仍是电镀铜的必要工序。异质结电池沉积TCO膜作为减反层、接触层和传导层，但在TCO膜上电镀铜附着性较差，电极易脱落，因此需要在待镀金属和导电薄膜之间引入一层种子层来改善电极的附着性能。（铜是一种深能级杂质，会迅速扩散到硅中并与硅发生反应，导致器件退化和故障）

目前对种子层金属具有选择性，一般情况下，种子层金属要具备几个特征：

00001. 不易形成空穴型的金属氧化物，否则，空穴与光生载流子复合，降低电极收集载流子的能力；

00002. 种子层金属本身应具有更低的体电阻率，并且与TCO膜层接触较好且接触电阻不能过大；

00003. 由于工艺流程，种子层要在电镀液中实现铜沉积，多余部分又需要在后续的刻蚀工艺中被剥除，因此种子层金属既要耐电解液腐蚀，同时又能够被后道刻蚀工艺刻蚀。

目前金属镍具备良好的种子层特性且价格相对便宜，被广泛用于电镀铜种子层制备。同时，多金属元素种子层（比如铜、镍合金）已被验证具备更低的接触电阻，从而实现填充因子和电池效率提升。

此外，银、钛、铟等金属也可做为种子层金属，但价格相对较高，或不具备经济效应。

因此，常见的种子层包括镍镀层、铜镍镀层和铜镍银三镀层等。从具体工艺而言，种子层主要形成方式是采用物理气相沉积（PVD）或者化学镀的形式实现大面积沉积。

2、图形化

图形化工艺为电镀铜的核心工艺环节。种子层形成后，铜电镀制备铜栅线仍不具备选择性，要形成光伏电池特定的栅线排列形式，需进一步进行图形化工艺，使铜离子能在特定位置沉积。

图形化原理主要是在种子层的基础上进一步覆盖掩膜，通过对掩膜的选择性刻蚀，形成掩膜-种子层-掩膜的交替排列结构。

在电镀过程中，铜离子仅在种子层暴露的地方沉积，从而形成特定排列的电极。

目前图形化工艺多样化发展，主要包括光刻（掩膜光刻、激光直写）、激光（激光开槽、激光转印+掺杂）等方式。

光伏电镀铜工艺基于PCB的电镀技术，随着PCB制造工艺不断发展，推动光刻工艺走向成熟，设备成本不断下降且在最小线宽、对位精度、生产效率等设备性能方面持续提升，相应技术和设备具备在光伏领域延伸应用的能力。

（PCB用的是激光直写工艺，目前普遍看好光刻直写）

1）光刻方案

基于PCB的图形化工艺是在种子层沉积感光胶层（光致抗蚀），胶层被特定波长的光线（一般为紫外光）照射后发生聚合反应形成稳定的物质附着在种子层，其余非反应感光胶层则溶解于溶液中，从而形成掩膜和种子层交错排列的电极图形。

（注：若感光胶层为光致溶解，则过程与上述表述相反。）

感光胶层可以是干膜、光刻胶或者采用喷墨技术涂覆在种子层表面的光敏油墨，但不同感光胶层在槽宽、工艺难度上面表现差异。

同时，对特定区域的曝光可采用底片(传统曝光)、掩膜光刻或激光直写技术。具体来看，传统曝光在底片上预设好图形，光线可以透射底片的图形区域从而实现选择性曝光。

而直写光刻技术则控制高精度光束聚焦至感光胶层基材表面，直接进行扫描曝光。与传统曝光技术相比，光刻直写设备在光刻精度、对位精度、自动化水平等方面具有优势，可运用于光伏电镀铜图形化工艺。1）随着PCB曝光精度要求明显提升，激光直写设备技术亦相应取得进步，目前光刻直写设备在PCB产业化生产中能够实现的最小线宽已经达到5μm。

00001. 自动化水平较高，图像经CAM文件后即可开始直接成像，缩短生产周期且可便捷快速地切换图形化方案，达到柔性化生产目的。

此外，在泛半导体领域还包括掩膜光刻工艺。

掩膜光刻由光源发出的光束，经掩膜板在感光材料上成像，具体可分为接近、接触式光刻以及投影光刻。

其中投影光刻技术更加先进，通过投影原理能够在使用相同尺寸掩膜的情况下获得更小比例、更精细的图像。

掩膜光刻是当前IC前道制造、后道封装以及FPD制造等泛半导体领域的主流光刻技术，但在光伏电镀铜应用面临设备供给、掩膜成本较高等问题，或不具备经济性。

2）激光方案

激光开槽：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。

根据JianYu1等人方案（下同），其针对HJT电池的图形化工艺提出，在TCO膜上沉积掩膜层+激光吸收层（比如Al2O3+本征多晶硅层）控制开槽深度→激光开槽打开膜层→种子层选择性沉积→铜电镀。

激光转印+激光掺杂：根据JianYu等人方案，使用激光转印将种子层选择性沉积到掩膜层的特定位置→使用激光掺杂等方式将种子层掺入掩膜层以实现种子层选择性制备和图形化工艺→铜电镀

00001. 整体而言，图形化工艺为光伏电镀铜核心工艺环节，技术难度和壁垒较高，并且图形化环节设备在光伏电镀铜产线投资额占比较高，超过后道电镀及后处理设备。

00001. 电镀及后处理

电镀铜环节主要采用电解池原理，即电镀液中的铜离子在电解池阴极发生还原反应生成铜单质并在阴极发生沉积。

对光伏电池片而言，电镀环节关键之一在于实现铜电极高效均匀制备。一般情况下，由于电流密度和电镀液中待镀金属元素在电池片上分布不均匀，形成电流密度梯度和浓度梯度导致最终电镀效率不均匀，铜栅线一致性较差。

比如种子层边缘区域较中心部分电流密度更大，且铜离子扩散更快，因此边缘部分的铜离子沉积速率高于中心部分，导致电极沉积不均匀，甚至电极中存在空心部分等问题。

总体来看，电流密度、镀液浓度是影响电镀铜栅线的重要因素，此外，镀前处理（湿法除杂&干燥）、电镀添加剂、镀液温度等亦对铜栅线的性能造成影响。

目前电镀铜设备主要包括水平电镀设备和垂直电镀设备。

垂直电镀要求预镀表面、铜阳极板与镀液面垂直，电池片在镀液中垂直放置并随着传送系统传送。反之，水平电镀为预镀表面、铜阳极板与镀液面平行。

垂直电镀一般包含夹具结构，夹具垂直固定电池片的同时，又作为供电电极，同时依靠外部传动装置带动电池片在电镀液中向一定方向运

动。垂直电镀是技术相对成熟的电镀装置，可实现单、双面镀铜，但由于镀铜过程中，电池片表面电流密度分布不均匀，电极均匀性相对较差。

水平电镀同样使用导电夹和导电轮作为电极及传动装置，电镀过程中光伏电池片待镀的一面水平放置并浸润在电镀液中；另一面则通过与滚轮连接实现与外部电路连通，同时，在滚轮的作用下实现电池片水平移动达到连续电镀规模化生产。

相较垂直电镀而言，水平电镀增加了阴极与预镀表面的接触面积，保持欲镀表面的电流密度分布更为均匀。同时，为了进一步保证电镀液浓度的均匀性，一般采用镀液循环模式+配置喷嘴喷流促进镀液在电池片及种子层快速流动，形成涡流。水平电镀较好地改善电镀不均匀等问题，

但与此同时，由于导电轮做阴极，设备长期运行可能导致导电轮覆铜，影响后续设备的使用，一般需要定期检修更换，或者采用反电解的方式溶解导电轮上的铜。

且水平电镀设备技术相对先进，制备铜栅线的质量较高，但设备工艺复杂，设备价值量或较高，对人工及系统操作提出更高要求。

00001. 设备总结

电镀铜技术路径，主要新增的设备有曝光机与电镀机。

曝光机：LDI曝光机在半导体领域称为光刻机，光伏电池片领域精度较半导体领域低，为微米级，其为铜电镀环节中价值量最高的设备，约0.5亿元/GW。目前国内做直写光刻曝光机的为芯碁微装（688630），主要应用在PCB与泛半导体领域。

电镀机——水平电镀：水平电镀主要供应商有苏州捷得宝(台湾团队）——电镀解决方案龙头。

捷得宝致力于开发铜电镀工艺（油墨掩膜+水平电镀）。根据公司官网披露，以M2计算，2021年8月，其产品专利铜电镀设备产速可达6000片/小时（10μm、10ASD），目标是10000片/小时。

电镀机——垂直电镀：东威科技（688700）主营镀铜设备，以垂直连续电镀为主，主要应用在PCB板加工。

公司开发的光伏电镀铜设备所用工艺为垂直挂镀，技术在国内处于领先水平；PET镀铜设备为水平电镀，目前是国内唯一能够量产的公司

00001. 芯碁微装——688630

公司专业从事以直写光刻为技术核心的直接成像设备及直写光刻设备的研发制造，主要产品包括 PCB 直接成像设备及自动线系统、泛半导体直写光刻设备及自动线系统、其他激光直接成像设备等。作为国内唯一一家曝光显影设备上市公司，芯碁微装生产的光刻机设备通过图形化技术可以实现电镀铜工艺。

光伏用曝光机精度只需要达到微米级，公司已将应用于 PCB 线路层曝光的直写光刻设备曝光精度（最小线宽）由 8μm 提升至 6μm，PCB 阻焊层曝光精度由 75/150μm 提升至 40/70μm，与此同时直写光刻设备产能效率也不断提升，单位产品使用成本不断下降。

根据公司定增预案，公司预计投资总计 3.18 亿元，建设现代化直写光刻设备生产基地，拓展直写光刻设备在新型显示、PCB 阻焊层、引线框架以及新能源光伏等领域内的应用。在新能源光伏领域，公司已经与下游知名电池片厂商进行技术探讨

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