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光伏前沿系列六:钙钛矿电池新型封装材料

发布日期:2023/4/24 17:53:29 浏览:393

的封装方案价格较双面POE胶膜封装方案低7。

图表:HJT电池与标准光伏电池相比更加水汽敏感

资料来源:MeyerBurger官网,中金公司研究部

图表:钙钛矿PID现象对比示意图

资料来源:SolarRRL,中金公司研究部

采用丁基胶带在组件外边缘封装是常用方式。采用丁基胶的封装方案有两种形式,1)丁基胶与胶膜层压形成整体封装结构;2)外边缘使用丁基胶带辅助密封方式。第一种方案丁基胶用量较少,涂层仅有1mm厚,成本低于使用丁基胶带;但丁基胶固化需要更高的温度,目前技术尚未突破,因此目前使用丁基胶带在组件边缘缠绕为主流方式,但是热熔型丁基胶由于产线适配性较好,适合大规模量产,我们认为热熔胶有望取代胶带而成为主流封装形式。

HJT、钙钛矿电池等新型电池技术提高了光伏组件封装要求,我们根据以下假设测算分别测算钙钛矿和HJT组件所用丁基胶价值量:

?钙钛矿用丁基胶:1)以胶水形式封装;2)一块钙钛矿电池面积为0.6m*1.2m;3)一块钙钛矿电池使用25克丁基胶;4)钙钛矿用丁基胶水价格为0.12元/克。

?HJT组件用丁基胶:1)以胶带形式封装;2)一块HJT电池面积为182mm*182mm;3)1GWHJT电池使用2500万米丁基胶带;4)HJT电池用丁基胶带价格为2元/米。

经过我们测算,钙钛矿电池所用丁基胶价值量为0.026元/W,HJT电池所用丁基胶价值量为0.05元/W,伴随未来新型电池转换效率提高,单瓦用丁基胶价值量呈下降趋势。

图表:光伏用丁基胶价值量测算

资料来源:CPIA,中金公司研究部

受光伏组件新技术量产带动,光伏用丁基胶占比有望大幅提升。我们认为丁基胶应用市场可分为两类,一类是传统应用领域,包括中空玻璃密封、建筑防水、汽车制造、机器阻尼减震等;另一类是新型应用领域,以光伏为主。经过我们测算,2023年丁基胶全球总市场规模有望达65.51亿元,2025年有望达到95.7亿元,三年CAGR为21。分市场来看:

?传统应用市场方面,我们参考BusinessResearch预测,今年丁基胶市场规模为63.21亿元,2025年丁基胶市场规模达70.22亿元,增速较低;其中中空玻璃用丁基胶作为传统应用市场的一部分,我们测算得2023年中空玻璃用丁基胶市场规模为3.18亿元,2025年为3.51亿元。

?新型应用市场方面,我们考虑到钙钛矿尚未量产,根据HJT量产规模估算光伏丁基胶市场空间。此外,由于只有采用银包铜的HJT组件需要丁基胶(铜在潮湿的环境中化学性能不稳定,无法满足浆料要求),我们将HJT电池片采用银包铜技术占比纳入测算,CPIA预计2023E-2025E采用银包铜的HJT组件占比分别为23/50/70。经过我们测算,2023年HJT用丁基胶行业市场规模有望达到2.3亿元,2025年有望达到25.48亿元,3年CAGR达233。光伏用丁基胶市场占比大幅提升,2025年光伏市场规模在总市场规模中占比达到27,较2023年提升23个百分点,因此我们认为丁基胶市场主要由光伏带动。

图表:丁基胶全球市场规模测算

注:标*为中金测算资料来源:BusinessResearch,CPIA,中金公司研究部

问题3:丁基胶技术发展到哪一步?能否实现量产?

制备工艺简单,配方把握较难

丁基密封胶配方差异对组件性能有较大影响,配方较难把握。PIB材料具有稳定的化学性能和优异的密封性能,分子量从几十万到数百万不等,该类材料在很多要求苛刻的密封环境中得到广泛应用。但材料的不同配方设计性能差别很大,自身湿气透过率也会有很大差别。特别是应用到光伏组件中时,还要兼顾与其他材料的工艺相容性能、层压后的表观和老化后的表观,以及对组件湿气的隔绝密封性能。

图表:丁基胶配方示意图

资料来源:Bostik官网,中金公司研究部

丁基胶由丁基橡胶经过特殊工艺加工制成,制备工艺较为简单。首先通过溶液法或淤浆法将异丁烯和少量异戊二烯合成为丁基橡胶,再通过特殊工艺制成丁基胶。丁基胶配方把握较难,主要包含5-6个成分,其中丁基橡胶占比12,聚异丁烯占比20,补强剂5,填料52,石油树脂7,其他助剂4,根据性能要求的不同,各家配方稍有差异。

图表:丁基胶各成分占比情况(2022年)

资料来源:CNIPA《一种太阳能光伏组件用丁基密封胶带及制备方法》,徐路锋,2022,中金公司研究部

丁基胶生产工艺较为简单,需要将原料聚异丁烯、丁基橡胶在110°C-130°C的捏合机中搅拌均匀,依次添加填料、抗老化剂、软化剂,抽真空搅拌后出料得到成品。生产工艺先后经过硅烷偶联剂接枝改性、熔融共混改性、填充改性,以提升丁基胶的性能、降低成本。熔融共混改性主要是将两种聚合物加热到熔融状态,在强力作用下共混、冷却、粉碎造粒;硅烷偶联剂接枝改性能够将性能差异大的材料界面偶联,提升极性;填充改性是在聚合物中添加结构不同的添加物如碳酸钙、陶土等,实现增容增重,降低成本、提升性能。

图表:丁基胶生产流程图

资料来源:CNIPA《丁基热熔胶及其制备方法》,硅宝科技,2016,中金公司研究部

图表:生产工艺对比

资料来源:《硅烷偶联剂应用研究进展》,刘广生,2019,《硅烷偶联剂对纳米二氧化钛表面改性的研究》,姚超,2006等,中金公司研究部

丁基胶设备主要包括涂布机、挤出机、捏合机,涂布机设备价值大概在2-5万,挤出机设备价值为10-20万,捏合机设备价值为1-3万,设备安装周期为6个月,固定资产投入较小。丁基胶涂布机是在铝间隔框两侧均匀涂抹丁基热溶胶的设备,常应用于中空玻璃的生产加工工艺。成品丁基胶在常温下呈固体形态,打胶过程需要超100°C的高温,常借助于设备操作简便、可靠耐用的丁基胶涂布机,生产涂布均匀、质量稳定可靠的产品。我们认为丁基胶设备为胶粘行业普通设备,目前已实现国产替代,因此量产受设备制约可能性较小。

图表:丁基胶涂布机技术参数

资料来源:灿琦建材官网,中金公司研究部

丁基胶原材料国产替代处于正在进行时

丁基橡胶和聚异丁烯均为丁基胶的主要原材料,目前以进口为主,看好国产替代推动成本下降。丁基橡胶、聚异丁烯产能主要集中于欧美区域,国内高纯度丁基橡胶产品依赖进口,进出口价差明显。目前丁基密封胶进口价格120元/千克,国产仅为80-90元/千克,价差达30-50,国产丁基胶虽然价格较低,但是稳定性仍然有待提高,我们认为国内厂商若能通过技术突破实现丁基胶原材料国产替代,成本将显著下降同时性能增强,推动大规模量产应用。

丁基橡胶(IIR)-丁基胶主要原材

?供需情况:全球丁基橡胶产能总体过剩且高度集中,需求增速较小。1)供给端:2021年全球丁基橡胶产能为218.9万吨,同比 1.6;产量136.9万吨,同比 3.7,装置平均开工率为65.5。世界生产能力排名前十企业产能合计216.7万吨/年,其中前三名为埃克森美孚/沙特阿美/西布尔,产能分别占比33.4/20.2/11.3。目前丁基橡胶产能相对集中于欧美地区,区域发展不平衡。我们认为伴随国内光伏级丁基胶需求起量,丁基橡胶国内产能占比有望提升。2)需求端:丁基橡胶应用领域以内胎和硫化胶囊为主,此外还有少部分用于汽车部件、医用、密封剂等,主要终端需求国家为中国、美国和西欧。分区域来看,2021年,世界前三大丁基胶膜消费地区分别为东北亚/北美/独联体,消费分别占比15.3/16.7/1.7。

图表:世界IIR/HIIR供需情况

资料来源:中国石化集团经济技术研究院,中金公司研究部

图表:2020年丁基橡胶终端需求分布

资料来源:华经产业研究院,中金公司研究部

图表:2020年世界IIR/HIIR产能分布

资料来源:华经产业研究院,中国石化集团经济技术研究院,中金公司研究部

?我国IIR/HIIR低端产能充裕,高端产能不足,以进口为主。据海关总署公布数据显示,2022年,国内丁基橡胶进口总量29.24万吨,同比 34.31;出口总量7.93万吨,同比 110.34。伴随国内生产装置陆续建成投产,国内丁基橡胶产能增加,低端丁基橡胶具备一定的价格和规模优势,但是由于丁基橡胶生产技术主要掌握在欧美国家,国产丁基橡胶产品质量不稳定,因此高纯度的丁基橡胶主要依赖进口。我们认为未来若能通过自主研发、技术转让或专利购买等途径实现丁基橡胶国产替代,进口依赖度有望大幅下降。

图表:初级形状丁基橡胶月度进出口均价

资料来源:iFinD,中金公司研究部

图表:丁基橡胶当月进出口总量

资料来源:海关总署,中金公司研究部

?技术:丁基橡胶大规模工业化生产技术壁垒较高,国内与海外技术水平存在较大差距。丁基橡胶的生产过程中需要把控好异戊二烯和异丁烯、催化剂的配比,此外存在反应条件严苛难控制、设备技术含量高、产品分子量稳定均匀性要求高等技术难题。经过长期研究实验,海外龙头ExxonMobil、ARLANXEO的丁基橡胶制备技术全球领先,专利覆盖面广,涵盖设备、工艺、引发体系及产品等方面。由于技术不公开,国内厂商数量较少,研发实力和技术积累方面与海外龙头差距明显,反应温度、IP浓度、聚合釜运行周期均低于国际先进水平。

图表:国内HIIR生产工艺、产品性能与国际先进水平的对比

资料来源:《我国卤化丁基橡胶产业发展面临的挑战及发展建议》,韩琪,2021,中金公司研究部

?目前国内共有5家丁基橡胶生产企业,大部分集中在华东地区,装置技术来源主要为意大利、俄罗斯等国,以中试技术为主,且自主研发技术较少。我们认为丁基橡胶低端产能富余,但原材料获取和配方研究方面仍存在瓶颈,产品还未跻身高端产品。

图表:国内丁基橡胶产能(截至2022年,单位:万吨/年)

资料来源:华经产业研究院,中金公司研究部

?国内丁基橡胶领域专利数量较多,看好丁基橡胶国产化进程加速。近年伴随风电光伏等新型应用场景的扩展,丁基橡胶研发不断深入,专利申请数量显著提升。根据CNKI中国专利数据库,截至2023年2月10日,国内共有丁基橡胶领域的申请专利3165件,2015年以来年申请量稳定在200件以上,2022年达235件,专利主要围绕制备工艺和应用领域拓展方向。我们认为未来几年专利数量仍保持井喷增长,看好国内企业自主研发能力不断增强,丁基橡胶国产化进程加速。

图表:丁基橡胶部分最新专利

资料来源:CNKI中国专利数据库,中金公司研究部

?成本:丁基橡胶成本受异丁烯价格波动影响较大,异丁烯价格和石油挂钩。丁基橡胶直接材料为异戊二烯和异丁烯,其中异丁烯占比达99,因此异丁烯价格直接影响丁基橡胶成本。异丁烯作为石油衍生品价格随石油波动,2022年原油价格大涨提振异丁烯价格,5月中旬价格开始宽幅拉涨,7月起价格逐步回落,目前异丁烯价格稳定至11000元/吨左右。

图表:异丁烯价格

资料来源:iFinD,中金公司研究部

图表:原油价格

资料来源:iFinD,中金公司研究部

聚异丁烯-丁基胶重要改性材料

?供需情况:1)供给端:德国巴斯夫(BASF)公司最早于1940年建成6000吨/年聚异丁烯,此后美国、法国、中国等均开展了工业化生产。根据CNCET,目前世界聚异丁烯产能超170万吨/年,主要集中于北美、西欧、东北亚。2)需求端:由于原料、生产工艺和催化体系的多样性,聚异丁烯

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