导读：

东方富海博士后创新实践基地秉承研究发现价值、研究引领投资的理念，对投资实务进行前瞻性研究。我们特别设立了“富海洞察”专栏，用于发布基地系列研究报告，供交流探讨。本文是激光设备的相关研究，为基地出品的第十四篇报告。

 

在迈向“3060”双碳目标的背景下，光伏装机量未来仍有数倍的增长空间。过去十来年，晶硅电池的主流结构从铝背场Al-BSF（Back Surface Field）进化到PERC（Passivated Emitter Rear Contact），主流材料从多晶硅转向单晶硅，组件的量产效率从19%增长到22%以上，单瓦成本也从2元左右降到1.5元以下。这些伟大变革的背后，激光设备的应用功不可没。作为PERC电池生产的核心工艺设备，激光设备是最重要的新增设备之一，且也将成为TOPCon（Tunnel Oxide Passivating Contacts）、HJT（Heterojunction Technology）、IBC（Interdigitated Back Contact）等晶硅光伏电池和碲化镉、钙钛矿等薄膜光伏电池的必配设备，未来前景可期。

 

▼1激光的起源及应用

激光被认为是20世纪以来继核能、电脑、半导体之后，人类的又一重大发明，被誉为“最快的刀”、“最准的尺”、“最亮的光”，亮度约为太阳光的100亿倍。激光即原子受激辐射的光，被激发出来的光子光学特性高度一致，形成了纯色、准直、高亮、同向、能量密度高的光子队列，其理论基础源于爱因斯坦1917年提出的“受激辐射”理论体系。现在人们知道，产生激光要具备两个重要条件：一是粒子数反转，二是谐振腔。然而，彼时人们只对无线电波和微波有较深研究，直到1950年代，对激光的研究才进入了一个崭新阶段。1950年，Kastler提出并实现了光学泵浦的方法。次年，汤斯（C.H.Townes）提出受激辐射微波放大的概念。经过几年的努力，1954年，汤斯和他的助手高顿（J. Cordon）、蔡格(H. Zeiger)发明了氨分子束微波激射器，首次实现了粒子数反转。1958年，美国贝尔实验室的科学家肖洛（Schawlow）和汤斯（Townes）发现了一种神奇的现象：当他们将氖光灯泡所发射的光照在一种稀土晶体上时，晶体的分子会发出鲜艳的、始终会聚在一起的强光。根据这一现象，他们提出了“激光原理”，即物质在受到与其分子固有振荡频率相同的能量激发时，都会产生这种不发散的强光——激光。至此，人类揭开了激光理论神秘的面纱。

 

1960年，美国加利福尼亚州休斯实验室的科学家西奥多·梅曼（T.H.Maiman）在量子电子学发展成果的基础上，发明了世界上第一台红宝石固态激光器（Ruby Laser）。随后，氦氖气体激光器、光纤激光器、GaAs半导体激光器、液体激光器和CO2激光器等不同类型的激光器陆续诞生。我国的第一台激光器也在1961年诞生于长春光机所。从1970年代开始，激光器开始应用于生产和生活当中，如舞台光影效果和激光全息影像、超市条形码，激光打印机和激光盘（LD）播放器等。随着制造业的发展，激光设备也逐步步入工业领域。激光加工具有加工对象广、精度高、能耗低、远距离加工、自动化加工等显著特点，目前已成为一种新型制造技术和手段，被广泛应用于材料加工、通信、科研、军事、医疗、显示、光伏与锂电等诸多领域。

2激光在光伏中的应用

得益于贝尔实验室在半导体原理和工艺的研究，第一个硅基太阳能电池也在1960年代诞生于贝尔实验室。然而，从1954年诞生第一个硅基太阳能电池后的50年内，激光与光伏并无太多交集，直到PERC电池的诞生，激光技术助力PERC电池实现产业化，光伏产业也为激光设备敞开了更多应用的大门。PERC电池最早可追溯到上世纪八十年代。1989年，由澳洲新南威尔士大学的Martin Green研究组在Applied Physics Letter首次正式报道了PERC电池结构，当时达到22.8%的实验室电池效率。到了1999年，其实验室研究的PERL（钝化发射极背部局域扩散，Passivated Emitter and Rear Locally-diffused）电池创造了转换效率25%的世界纪录。PERC电池与常规电池最大的区别在背表面介质膜钝化，采用局域金属接触，大大降低表面复合速度，同时提升了背表面的光反射，因此能提升电池的光电转换效率。然而，早期的PERC电池的实验室制备，采用了光刻、蒸镀、热氧钝化、电镀等技术，工艺复杂成本高，无法大规模商业化。直到2006年，AlOx钝化材料以及激光消融工艺的引入，使PERC电池的产业化成为可能。PERC电池也使激光设备作为一种标配设备进入光伏行业。随着光伏技术和工艺的不断迭代，激光设备在光伏工艺中扮演的角色也越来越多。在晶硅光伏电池的生产中，激光加工技术目前主要应用于打孔、消融、掺杂、修复和切割等工艺；在薄膜光伏电池的生产中，激光加工技术主要应用于打码、划线和清边等工艺。

晶硅光伏电池

激光打孔MWT：激光打孔MWT (Metal Wrap Through)技术可以将光伏电池的光电转换效率绝对值提高0.4%左右。MWT技术通过硅片上的孔将正面电极引到电池的背面，使电池的正负电极点都分布在电池片的背面，有效减少了正面栅线的遮光，提高光电转换效率，同时降低银浆的耗量和金属极-发射极界面的载流子复合损失。MWT技术可以适配PERC、TOPCon、HJT等各种电池路线。

激光消融（刻蚀）：PERC激光消融技术的应用，使单晶电池实现1.2%转换效率的提升。利用激光对钝化膜精密刻蚀，将电池背面钝化膜局部的AlOx与SiNx薄膜层打穿露出硅基体，背电场通过薄膜上的孔或槽与硅基体实现接触。该工艺为PERC技术增强钝化的核心工艺之一，激光消融设备目前已成为 PERC 生产流程中不可或缺的关键性装备。相比较传统的湿法刻蚀工艺，激光消融技术能定位最优化的能量密度分布，精确控制激光作用时间，同时保证每个脉冲严格一致。

 

激光掺杂SE：激光掺杂SE（Selective emitter）可以使晶硅太阳能电池光电转换效率绝对值提升0.2%-0.3%左右。SE为选择性发射极，在前道扩散工序产生的磷硅玻璃层的基础上，利用激光的可选择性加热特性，在电极栅线与硅片接触部位进行高浓度磷掺杂，形成n++重掺杂区。通过激光掺杂技术，在金属栅线与硅片接触部分进行重掺杂，而电极以外位置保持轻掺杂（低浓度掺杂），这种结构减少发射极表面少子的复合，而金属电极和发射极之间又能形成良好的欧姆接触，从而获得更高的短路电流、开路电压和填充因子，提高太阳电池转换效率。SE的激光需要对光斑进行整形，将光斑整形成方形光斑后，光斑的重叠率可以做到0%，因而振镜加工速度可以得到提升。

 

激光修复LIA：在异质结结构的光伏电池中，非晶硅和晶硅的界面存在大量的界面态（Si 悬挂键），研究发现，在光照的情况下，对此结构进行加热退火，可以有效减少界面态（Si 悬挂键）密度，降低界面复合，提高非晶硅的钝化效果，从而使电池转换效率明显上升，主要体现在Voc和FF的提升上。这个现象称之为光诱导退火，简称 LIA（Light-Induced Annealing）。

 

激光切割：无损切割，又称激光热应力切割，利用激光局部照射产生不均匀的热效应，在受热区产生一个不均匀的温度场，材料表面产生的温度梯度，诱发热应力产生。其中，激光光斑处温度高，为压应力状态，激光光斑前后处于拉应力状态。由于脆性材料抗压刚度远大于抗拉强度，当拉应力达到材料的断裂强度时，就会使材料发生断裂，裂纹会随着激光的移动轨迹稳定扩展。激光划片技术主要应用于电池片半片或多片的自动切割、裂片。

 

激光转印：激光图形转印技术（Pattern Transfer Printing，以下简称 PTP 技术）是一种新型的非接触式的印刷技术，帮助电池实现超密电池，提升电池转换效率。该技术能在特定柔性透光材料上涂覆所需浆料，采用高功率激光束高速图形化扫描，将浆料从柔性透光材料上转移至电池表面，形成栅线。采用该激光转印技术开发的设备可替代现有高效太阳能电池产线中的丝网印刷机设备。PTP 技术能轻松实现25μm以下的线宽，进而实现更优的高宽比，帮助电池实现超细密栅电池，匹配选择性发射极技术，提升电池转换效率。

 

薄膜光伏电池

与晶硅光伏电池的硅基底不同，薄膜光伏电池做在玻璃基板上。玻璃基板的尺寸较大，需要用激光设备将一整块大电池进行分区，实现各小电池的串联，从而降低电池内部电阻，提升光伏电池的效率。这个工艺相当于晶硅光伏电池的串焊工艺，然而薄膜光伏中的生产工艺对激光设备精度要求高于传统晶硅光伏工艺、接近于半导体工艺。

玻璃打码P0: 主要是利用激光的高能量，在玻璃表面迅速打掉一层物质，保留的玻璃表面变得粗糙，不再透明，从而和未被激光作用的区域形成对比。按照设定好的二维码的图像打标，即生成可识别的二维码，记录产品产线信息。

激光划线P1-P3: P1、P2、P3设备的基础原理设备构造基本相同，都是利用激光划直线分割不同镀膜层。P1工艺，通过激光设备分割底部的TCO（Transparent Conducting Oxide）衬底。P2工艺，划开空穴传输层、光电转换层和电子传输层，露出TCO衬底，为连接相邻两节子电池的正负电极提供通道。P3工艺，去除部分功能层以分割相邻子电池的电极。

激光清边P4: 封装前的清理工艺。激光清边是指利用激光技术清除掉电池边缘的沉积膜，本工艺相对较为成熟。由于需要密集填充，还要兼顾加工效率。激光清除的设备利用的是振镜系统，配合平台运动来实现区域清除，同时激光的光斑要做成250μm左右的方形光斑，以进一步提高加工效率。

3光伏中的激光设备

一台完整的激光设备主要包括激光器、运控系统、激光头、电源、供气系统和冷却系统等，其中最为核心的是激光器和运控系统，在激光设备中的价值占比分别在40%和20%以上。而运控系统根据不同的应用场景，分为伺服控制系统和振镜控制系统两种不同的技术路线，其中晶硅光伏电池的激光加工以振镜控制系统为主，而薄膜光伏电池的核心激光加工工序以伺服控制系统（也称作飞行光路）为主。

激光器是产生激光的核心装置，主要由泵浦源、增益介质、谐振腔三部分组成，工作时泵浦源作用于增益介质之上，使多数粒子处于高能级的激发态，形成粒子数反转，之后光子入射，高能级粒子跃迁到低能级，并发射大量与入射光子完全相同的光子。传播方向与谐振腔横轴线不同的光子将逃逸出腔体，方向相同的光子则在谐振腔内往返，使受激辐射过程持续下去，并形成激光光束。激光器可以按照增益介质、输出功率、工作方式、泵浦方式和输出波长等不同维度进行分类。按照增益介质的不同，可以分为液体激光器、气体激光器和固体激光器（光纤、半导体、全固态、混合）。按照输出功率的不同，可以将光纤激光器分为小功率（0-1kW）、中功率（1kW-3kW）、高功率（3kW-6kW 以上）。按工作方式的不同，激光器可分为连续激光器和脉冲激光器。按泵浦方式的不同，激光器主要可以分为光泵浦激光器、电泵浦激光器、化学泵浦激光器、热泵浦激光器和核泵浦激光器。按输出波长的不同，激光器可分为红外激光器、可见光激光器、紫外激光器等。

运控系统发挥类似大脑和驱动的作用，其在激光设备的价值占比不如激光器，但是具备较高技术壁垒和用户粘性，竞争参与者少，毛利率高，在价值链中表现出良好的利润属性。根据激光光路驱动方式的不同，可以分为伺服控制和振镜控制。振镜控制通过镜片摆动调整光路，将激光指向目标位置的振镜控制；而伺服控制依靠伺服电机驱动激光头移动至正确位置。振镜激光主要用于标刻、钻孔、3D 打印、精密切割等场景，以高速度、高精度、微加工为核心特征。伺服激光则用于大幅面的切割、焊接，广泛适用于钣金加工、汽车制造、航空航天领域。

对比晶硅光伏生产的激光设备，薄膜光伏的激光设备除了控制系统有差异，还多了一套分光系统和划刻系统。分光系统的作用是把一束激光均匀地分成多束平行的激光，从而提升激光设备在大尺寸薄膜光伏中的加工效率。晶硅光伏电池和薄膜光伏电池在激光加工系统、激光器类型和激光生效原理等方面的对比如下表所示：

4产业链与市场空间

激光设备产业链上游主要包括激光器、数控、机械、电源和各类辅助仪器等。上游激光器环节是利用激光芯片及光电器件、模组、光学元件等进行各类激光器的制造与销售，国内生厂商主要是锐科激光、创鑫激光以及杰普特等；运控系统中，柏楚电子、维宏股份、奥森迪科占据中低功率激光切割控制系统的90%，高功率激光控制系统市场国际厂商仍占据绝对优势。中游为激光设备集成，国内厂商除大族激光、华工科技两大行业龙头外，各细分板块有较多的参与者，而由于细分板块的整体市场规模相对较小，大部分的激光企业均在科创板以及新三板挂牌上市。激光设备产品最终应用于先进制造、医疗健康、科学研究、汽车应用、信息技术、光通信、光存储等众多领域，是推动中国制造业升级的关键。

在光伏行业中，随着N型光伏电池的逐步渗透和起量，激光设备凭借高精度、高效率等优势，在N型电池的应用逐步覆盖TOPCon SE激光掺杂、HJT LIA激光修复、IBC激光开槽和全电池路线激光转印等。在PERC时代，激光设备主要应用在电池生产的前道环节，单GW价值量在1000多万，而在高效电池时代，激光设备不仅在电池生产前道环节价值量升至2000万/GW以上，并且在电池生产的后道金属化环节也会有一定比例的渗透率。据测算，2022-2025年光伏用激光设备（不含组件环节及钙钛矿技术）市场总规模约200亿。未来随着晶硅光伏N型电池片产能放量，激光设备需求也将不断增长。目前激光消融和激光掺杂SE设备在众多类型的激光设备中确定性较强，因此布局的企业较多，包括帝尔激光、海目星、英诺激光、捷佳伟创、大族激光以及盛雄激光等。钙钛矿光伏作为最具潜力的新型光伏电池技术，激光设备同样是单结钙钛矿薄膜电池的标配设备，其价值量在整个产线的设备价值量占比在10%左右，目前布局的公司有大族激光、德龙激光和迈科芯纳等。

 

5总结

得益于美国贝尔实验室在半导体原理和工艺方面的研究，光伏和激光这两个伟大的技术均于1960年代诞生，对当代的新能源和智能制造产业产生了极大的推动作用。而在近50年后，光伏与激光在PERC电池上互相成就：激光设备助力光伏产业降本增效，而光伏产业也给激光设备带来更广阔的市场前景。随着光伏技术和工艺的不断迭代，激光设备在光伏生产中扮演的角色也越来越多。在晶硅光伏电池的生产中，激光加工技术目前主要应用于打孔、消融、掺杂、修复和切割等工艺；在薄膜光伏电池的生产中，激光加工技术主要应用于打码、划线和清边等工艺。不论是晶硅光伏，还是新兴的薄膜光伏，激光设备已经成为标配设备。随着未来光伏装机量的不断提升，激光设备市场前景可期。激光设备在晶硅光伏和薄膜光伏中的技术路线差异较大，具体包括激光器选型、控制系统和光路设计等方面。面对新兴的N型晶硅光伏和薄膜光伏市场，提前布局的激光设备企业有望获得先发优势。

 

致谢：感谢苏州迈科芯纳智能科技有限公司提供的晶硅光伏电池和薄膜光伏电池的激光设备的对比资料。