光伏未来已来?钙钛矿电池或将伴随晶硅电池的迭代迈开产业化的步伐

发布时间: 2024-07-06 21:33:45 发布者:企业新闻

  降本、增效,一直是太阳能电池技术的迭代升级方向。现今主流的晶硅太阳能电池,已历经P型(PERC)对BSF电池的迭代替换,现正在进行N型TOPCon对P型电池的迭代。但在全行业产能过剩下,TOPCon电池的迭代升级,并未如预期实现对光伏行业的拯救,新一轮TOPCon产能布局大赛亦已拉开,可预见的未来TOPCon或仍将延续过剩的局面,价格内卷亦可能是光伏企业难以逃离的苦海。在此局面下,被誉为“未来电池”的钙钛矿电池技术取得令人欣喜的成绩,并在电池组件的商业化制造与应用上持续进展;与此同时,原本陷入困境的晶硅HJT异质结电池,在电池制备技术与材料降本上亦取得显著进展,已开始具备与TOPCon电池正面比拼的条件。因此,下一步将很也许会出现HJT与钙钛矿“比翼双飞”的格局;未来实现HJT与钙钛矿的“双向奔赴”,在整合两个赛道优势技术和资源基础上,诞生出新的“叠层电池”,光伏行业的未来,触手可及!

  一、太阳能电池正在沿晶硅路线进行TOPCon—再可能到HJT的产品迭代,持续重塑产业格局

  (一)太阳能电池的技术创新和产品迭代,不断为全球光伏新能源行业带来新的希望

  降本增效始终是太阳能电池技术的迭代升级方向。光伏电池转换效率,是每一轮光伏技术迭代最核心的标尺。在20%转换效率的基础之上,每提高一个百分点,可为下游电站节约5%以上的成本。太阳能电池已经历第一代晶硅电池、第二代无机薄膜太阳能电池的技术迭代,又将向更有希望的第三代钙钛矿电池方向迭代。

  第二代无机薄膜太阳能电池,以铜铟镓硒(CIGS)、碲化镉(CdTe)和砷化镓(GaAs)等材料为主,与晶体硅太阳电池相比,第二代光伏材料的吸光薄膜较薄,使太阳电池的制备成本大幅度降低,技术理论优势大(效率及成本),但现实操作中存在缺陷容忍度低、材料储量有限等问题,已制约了其规模化的生产应用。

  以晶硅材料制备晶硅太阳电池的工艺成熟,性能稳定性高,最终得到的光伏组件光电转换效率,在20年后仍能保持初始值的80%,是目前光伏市场的主流产品,而且持续进行着技术与产品的迭代,不断为全球光伏新能源行业带来新的希望。

  晶硅电池也已经历最初的铝背场(AI-BSF)电池—P型(PERC)电池,再到现今第三代N型(包括TOPCon和HJT异质结)电池的迭代,逐步的提升转换效率,降造成本,推动光伏发电“平价时代”加速到来,为全球新能源转型做出了积极的贡献。

  (二)新一轮N型TOPCon电池凭借更高效率优势,正在进行对P型电池的快速迭代

  P型电池在普通全铝背场电池工艺基础上增加了背面钝化与激光开槽,增强光捕获能量,将传统BSF电池理论最高转换效率从21%提升到P型量产的23%,实现了对BSF电池的快速淘汰和迭代。

  P型电池历经五年的发展,已逐步逼近其24.5%的理论极限,目前量产效率达到23%左右,未来提升空间存在限制,且提升难度极大。作为新的N型TOPCon电池,该结构为硅片的背面提供了良好的表面钝化,超薄氧化层可以使多子电子隧穿进入多晶硅层同时阻挡少子空穴复合,进而电子在多晶硅层横向传输被金属收集,从而极大地降低了金属接触复合电流,提升了电池的开路电压和短路电流,使其具有更高的效率极限(28.2%~28.7%)。

  与PERC电池相比,TOPCon电池通过增加一层超薄隧穿氧化层,将金属电极与硅金属隔离,利用量子隧穿效应实现电流传输,工艺兼容性较好,可在原有P型电池产线上做一定的改进即可投入生产,原有P型电池的头部厂商大力布局TOPCon电池,产能得到快速增加。随着新型高效电池技术的成熟及大规模应用,各类型光伏电池片的转换效率在不断的提高。由于转换效率的瓶颈,各电池厂商都在努力追求技术上的改进和效率上的突破。N型高效电池在目前转换效率和未来增长空间上全面优于PERC,已成为电池技术的主要发展趋势。当前,国内光伏产业正处于P型技术向N型技术快速迭代阶段。

  2022年被光伏行业视作N型电池技术发展的元年,TOPCon电池开始量产。2023年N型电池的产业化进程全面加速,相关有突出贡献的公司均在快速提升N型电池的产能。依据相关统计数据,2022年底落地的TOPCon电池产能达到81GWW,当年整个电池环节产能为590GW;到2023年底,国内TOPCon电池名义产能有望达到477GW,将与PERC电池产能相当。2023年全球21家光伏公司宣布的N型电池产能已超过540GW,其中TOPCon电池产能占据了绝大多数。

  同时市场对N型电池的需求也在迅速增加,N型TOPCon渗透率从2023年初的11%,迅速增加到年底的54%。有光伏头部企业负责这个的人说,今年上半年国内项目市场N型产品的招标量超过80%,分布式市场订单已经逐步转向N型,海外询单从2023年底起就基本以N型订单为主。目前除部分遗留项目需要用P型组件外,P型组件已基本没市场。随技术的逐步发展和成本的降低,TOPCon电池的红利期有望持续,未来至少三年,TOPCon将会是主流技术路线。

  N型TOPCon电池对P型电池的快速迭代,势将掀起新一轮残酷的行业淘汰赛,众多无N型电池研发和生产制造能力的电池企业,即将在这一类产品和技术的迭代中或转产升级、或关门撤离、或倒闭终结。

  (三)HJT异质结具备更佳的性能,目前降本迎来转机,在当前光伏产能严重超过标准情况下或将成为下一步晶硅电池迭代升级的新机会

  同样属于新的N型的HJT异质结电池,由于在实际应用中仍然面临着一些较难攻克的技术难点,以及与原P型产线不兼容需新建产线投入巨大等问题,曾不被业内部分人士看好。主要是两个方面:第一是制造成本居高不下,包括制造工艺相对复杂,需要高精度的设备和价格更高昂的材料;第二是技术突破难度较高,包括控制界面质量减少界面缺陷和杂质,控制薄膜的厚度、均匀性和结晶质量难度高;解决其气温变化、光照老化等因素影响的材料稳定性问题等。

  但相比TOPCon电池,HJT异质结电池也有更明显的技术和性能优势。主要有:

  一是理论极限效率较高,更适配未来钙钛矿叠层电池。HJT在实验室效率为26.81%,超过TOPCon的26.7%,且相比TOPCon更适配未来的钙钛矿叠层电池,理论极限更高。目前商业化的HJT异质结电池的实际转换效率,普遍都在24%至26%左右。二是更低的衰减率,拥有更长的常规使用的寿命。HJT首次衰减为1%、线%,全生命周期内发电更高,综合成本更低。三是工艺流程更短,可降低人工、运维等成本。其核心工艺流程仅有4步,即清洗制绒、非晶硅薄膜沉积、TCO膜沉积、金属电极化。工艺流程短,亦有助于提升生产良品率。四是具备低温制程工艺,有助于减少硅片制备过程中的热损伤、降低加热成本。HJT全程在200°C以下的环境中制成,而TOPCon扩硼环节温度则在1100°C以上。五是高双面率具备更高背面发电量。HJT电池为双面对称结构,电池双面率可达90%,而PERC和TOPCon双面率最高仅可达到75%和85%。六是温度系数低在高温环境下的能耗损失更少,发电量更高。HJT的温度系数为-0.24%/°C,而PERC和TOPCon的温度系数为-0.35%/°C和-0.30%/°C。

  从制造成本角度,据有关测算,目前异质结电池片非硅成本在0.29/w元左右,叠加引入丁基胶等更为严格的封装要求所带来的成本提升,异质结对比TOPCon在组件终端成本上接近高出0.1元/w。因此,短期看由于TOPCon产线可由原有PERC产线升级改造,设备投资所需成本较低;而HJT需要投建全新产线,同时HJT的浆料、靶材和设备成本相比来说较高。从替代原P型电池获得更高转换效率,TOPCon电池更具现实经济性。这也使得持有大规模PERC产线的厂商更倾向于向TOPCon技术升级,利用现有产线开展TOPCon电池研发制造,快速形成产能。2022年之前,因HJT产线设备投资所需成本高,技术路径不确定,产品性能有待提升,国内外电池厂商多处在MW级中试或观望中。

  通过近几年的努力,目前异质结电池产业链在微晶、金属化降本、去铟化降本等领域取得的技术进展与边际变化,有望让异质结实现显著降本,产业化大规模落地又重新出现转机。随着投资建设等成本下降,异质结的综合竞争优势将进一步显现。对于异质结领域新入局和跨界者而言,押注异质结,意味着可以在又一轮光伏技术迭代中占据领先身位,实现崛起发展,并可能重新改变光伏电池行业的竞争格局。

  一是无银化的铜电镀方案,将大幅度的降低HJT电池的材料成本。HJT电池低温工艺下为保证低电阻接触需要将银颗粒直径做得更小、银的用量也需要更加多,银浆耗量提升以及低温银浆成本高昂,直接影响异质结的金属化成本,这也是生产成本中与PERC、TOPCon相差最大的环节。目前,采用银包铜工艺不断成熟,可大幅度的降低银的使用;与此同时,彻底无银化的铜电镀工艺也已实现。从降本角度而言,纯铜价格仅为银的1%,随着量产效率与良率的提升以及设备材料国产化率持续提高,铜电镀有望呈现全方位的成本优势。

  二是持续推进的靶材低铟化与设备降本,进一步推进HJT电池降本。HJT电池透明导电薄膜TCO的薄膜沉积,在靶材上对铟金属有着较高依赖。铟属于稀有金属,在靶材生产所带来的成本上占比达60%。探索靶材低铟化路线、降低铟依赖也成为异质结产业化有力且必要的降本路径,目前已经取得一定进展;此外,异质结设备早期对海外进口存在较大依赖,单GW设备投资额高达10亿元。在异质结各环节主流技术路线逐步确立、设备国产化持续进行的带动下,据CPIA统计,2022年异质结电池设备投资所需成本已下降至3.64亿元/GW。

  三是微晶代替非晶沉积工艺,将有效解决带隙变窄导致的光学损失问题。异质结电池以N型硅片为衬底,需分别在前表面和背面沉积非晶硅形成前表面场和PN结。但由于非晶硅的带隙较窄使得其光学利用率偏低,导致短路电流较低,最终影响其转换效率表现。针对这一问题,目前业界已探索成功微晶代替非晶的方案,形成带隙宽且连续可调,吸收的光谱范围也更大,积极影响着电池片的转换效率。

  四是光转胶膜+高阻水封边胶成功应用,在克服材料衰减和降封装成本上取得大的突破。可将380nm以下的紫外光转换成蓝光,解决了TCO膜层和非晶硅膜层吸收紫外线降低电池电流的问题,克服了易衰减难题;短波转换成长波以后,异质结电池对于长波蓝光的吸收性也更好,继而能够逐步提升发电功率和可靠性。

  根据上面讲述的情况,长期看,HJT异质结电池降本路线清晰,设备投资所需成本可随技术进步不断降低,且可与钙钛矿技术结合制备叠层电池,实现更高转换效率。对于光伏行业而言,对更高转换效率—哪怕只提高0.01个百分点,也是光伏行业持续领跑该领域技术革新的驱动力。HJT异质结电池,具有比TOPCon等其他电池更高的电池效率和输出功率,更好的电池性能和更长的常规使用的寿命,在光伏行业普遍追求效率和成本及投资经济性的情况下,HJT异质结电池正以其技术和成本的突破,有可能在成为继TOPCon替换P型电池后,未来数年内又一轮光伏电池产品迭代更新的新机会。

  尤其在适配被称为“未来电池”的钙钛矿电池上,更有几率会成为未来光伏电池产品的主流技术。

  (四)近期异质结尚需持续突破技术工艺,远期与钙钛矿形成叠层电池将获得更好的未来

  HJT降本提效可期,在其整体经济性与TOPCon相当时有望迎来大规模量产。HJT异质结电池的设备、浆料、靶材等非硅成本比较高,目前比较明朗的HJT异质结电池的经济性,可通过两个方面提升:一是通过多种技术方法降低硅片、非硅材料成本。短期降本手段包括目前的银包铜代替纯银浆制备电极,无主栅互连节约主栅银耗;以及硅片薄片化导入降本;中期关注铜电镀印刷电极/激光转印等金属电极制备优化技术,以及TCO材料国产化、靶材无铟化等材料降本技术。二是进一步提升组件效率以获得销售溢价。高效组件可大大降低电站度电成本,因而可获得一定溢价。据有关测算,当前HJT组件所具有的效率和电池性能优势,较TOPCon电池可溢价约0.10-0.18人民币/W;若进一步提升其转换效率,HJT组件有望获得更高溢价。综合看来,HJT的经济性持平或高于TOPCon时方能实现大规模量产。

  远期关注HJT与钙钛矿形成叠层电池,在钙钛矿到来的时代将会拥有更好的未来。相比TOPCon电池,异质结电池与钙钛矿电池进行叠层的综合性能更为理想:一是异质结电池表面本身就是TCO导电玻璃,与钙钛矿电池做成叠层电池不需要更改产线,在设备投资和生产制造成本上会有着非常明显优势。而TOPCon电池与钙钛矿进行叠层,需要先把其正面的氧化铝和氮化硅去掉,或加入进一步掺杂和钝化工艺,其表面也需要改造成TCO,由此将增加产线改造投资并增加生产制造成本。二是TOPCon电池与钙钛矿电池叠层自身基于电流高的效率优势会被浪费,钙钛矿/HJT叠层电池的效率会更高。做叠层电池异质结受光面TCO不变,其电压和电流都不会改变;而TOPCon表面也需要改造变成TCO,其电池本身电流高的优势就会丢失,因此理论上钙钛矿/TOPCon叠层电池的效率相比钙钛矿/HJT叠层电池会更低。

  随着HJT异质结电池的设备国产化,以及硅片薄片化、银包铜、靶材等工艺的降本升级,近年来已有多家厂商开始布局HJT电池GW级产线。据相关机构统计,国内包括安徽华晟、东方日升300118)、爱康科技、金刚光伏300093)等,已大规模布局HJT异质结产能;通威、天合、隆基、晶澳、TCL中环002129)、阿特斯等头部厂商也都开始布局HJT异质结电池(但大都有较大的TOPCon产能包袱)。据相关统计和测算,到2024年上半年,国内HJT异质结产能已达到41.6GW,全年HJT电池出货量有望达到35-40GW,2025年和2026年将分别超过100GW、200GW。预计到2025年,我国HJT异质结电池技术在光伏电池技术中将占据10-15%左右的市场占有率,并可能在2027-2030年之间,与钙钛矿优势结合,大幅度的提高市占率,从而可望成为下一阶段市场主流的光伏电池产品。

  钙钛矿材料是一类陶瓷氧化物,其立方八面体的结构在光电领域具有极大的优势,对光的吸收能力强,吸收范围广,几乎能吸收全部可见光,并且能在较低温度条件下实现低成本制备。光伏领域钙钛矿材料一般为有机无机卤化物钙钛矿材料,具备优异的光电性能。

  (一)钙钛矿电池具有高转换效率等四大比较优势,受到光伏行业的普遍重视与期待

  1、大大提高太阳能电池的转换效率。目前晶硅电池越来越接近28.7%的理论极限。而单结钙钛矿电池拥有更高的31%转换效率;且可与其他电池进行双结、三结叠层,分别达到35%和45%的转换效率。

  2、产业链仅为晶硅电池的一半,全产业链的设备投资更省。钙钛矿电池产业链很短,仅包含原材料加工、功能层制备、组装三个环节,产业链长度缩短一半。因此在产能投资上,晶硅组件全产业链的投资所需成本约为9.6亿元/GW,而钙钛矿组件全产业链的产能投资约为5亿元/GW甚至以下,仅为晶硅组件的一半左右。

  3、高度一体化生产,生产效率高。不同于晶硅电池组件的“硅料-硅片-电池-组件”的长产业链流程,钙钛矿电池从最基础的原材料开始到最终组件出厂全生产的全部过程均可在组件厂完成,特点为高度的一体化生产,可以使钙钛矿组件生产时间大幅度减少。协鑫光电等头部公司其产品从玻璃、胶膜、靶材、化工原料进入到组件成型的全过程时间可控制在45分钟之内,而从传统晶硅电池从硅料到组件整一个完整的过程约需要3天以上时间。

  4、更低的组件制造成本。第一是钙钛矿材料成本低廉,且对材料纯度要求低。钙钛矿材料构成元素均为常见元素,成本相比硅材料低廉,且材料对杂质不敏感,通常只需要95%的纯度即可满足使用需求,而硅料纯度需达到99.9999%或99.99999%。钙钛矿封装材料在生产所带来的成本中占比较高,根据中商产业研究院数据,在钙钛矿电池组件中玻璃及其他封装材料占34%,电极材料占30.9%,钙钛矿成本仅为3.1%(其他为固资折旧、能源动力、人工等成本)。

  根据目前协鑫、极电等几家头部公司实现的大尺寸钙钛矿电池18%量产效率,钙钛矿电池理论成本能轻松实现1元/W,和目前晶硅组件的成本相当。但是由于钙钛矿电池的效率依然有提升空间,因此钙钛矿的单位成本依然有较大的降低空间。

  第二是生产制造能耗仅为晶硅电池的1/10。晶硅电池的硅料-硅片-电池-组件的长产业链流程所需设备更多,硅料、硅片的制备也需要高温环境,能耗更高。每1W晶硅组件制造的能耗约为1.52kWh,而钙钛矿组件的能耗为0.12kWh,单瓦能耗约为晶硅组件的1/10。

  5、更丰富的应用场景。一是集中式、分布式光伏电站等。二是光伏建筑一体化(BIPV)。BIPV指与建筑物同时设计、同时施工和安装,并与建筑物形成结合的太阳能光伏发电系统,也称为“构件型”和“建材型”太阳能光伏建筑。三是电动汽车车顶、智能可穿戴设备等柔性光伏应用。钙钛矿电池具备质量轻、厚度薄、柔性大、半透明、弱光效应好以及颜色可定制等优良特性,可大范围的应用于光伏车顶、柔性光伏、穿戴光伏等新型场景。四是可拓展至弱光及室内光伏应用领域。钙钛矿太阳能电池的带隙可调性使其具有室内光伏电池理想的宽带隙,将钙钛矿电池的下游应用场景范围拓展至弱光及室内光伏,进而可以大范围的应用于工业物联网、智能家居和智能出行等领域。

  (二)钙钛矿电池大面积制备效率得到快速提升,或已至产业化的重大节点,2025年将有几率会成为商业化应用的新起点

  钙钛矿电池作为太阳能电池的第三代技术,不仅仅具备更高的理论效率及成本优势,且现实落地层面可行性更高,有望成为晶硅电池达到性能指标极限后的路线年日本科学家Tsutomu Miyasaka首次在钙钛矿太阳能电池 (PSCs) 中实现了光伏发电,仅经历了10余年的时间,即走完硅基材料70余年发展的漫长道路,其单结电池的转换效率从最初的3.8%,达到目前26.1%的最高记录;与晶硅叠层达到33.9%。钙钛矿电池用不断刷新的效率纪录,证明了它在新时期清洁能源领域应用发展的巨大潜力。目前,发展钙钛矿已成光伏行业的共识,除较早进入钙钛矿行业的几家科技型企业外,多家晶硅头部厂商亦加力投入钙钛矿电池研发领域,其他锂电、半导体、新能源汽车等行业巨头跨界、能源央企等亦进入该领域,极大地推动了钙钛矿电池研发应用与产业化的步伐。。

  一是几家钙钛矿领先企业均已跨过组件放大后的光电转换效率和材料稳定性两大门槛,逐步具备商业化应用的条件。协鑫、极电、纤纳、仁烁这几家企业进入钙钛矿电池研发较早,通过从实验室研发到大面积组件小试、中试研制生产,不断调试材料组分和制造工艺及设备,逐步解决了钙钛矿电池大面积制备的效率损失和在外部环境影响下的材料稳定性问题。目前,其“M2级”大面积单结钙钛矿电池组件已跨越18%的商业化临界点,基本追平目前一般晶硅电池的发电效率(钙钛矿电池可弱光及散射光发电,其平均要比晶硅多发10%以上的电)。业内一致认为,当钙钛矿达到效率18%、寿命15年时,其平准化度电成本(LCOE)即可基本打平普通晶硅电池,大规模量产将开始具备商业化条件。从目前几家企业透露的中试线%以上,其实际效率有希望超过P型晶硅电池;2025年以后,将可能直接超越晶硅电池并持续提高其转换效率。

  在材料稳定性方面,尽管业内有人质疑钙钛矿电池常规使用的寿命,但几家头部企业均对此充满信心。极电和纤纳钙钛矿电池组件产品已通过最权威的国际电工委员会(IEC)61215、61730认证测试,并进行了光热联合老化测试和户外实证电站测试,组件衰减率均低于光伏行业≤5%的标准。几家头部企业的负责这个的人说,光伏组件的常规使用的寿命最终需从电站等下游应用的实际使用中得到验证,但从IEC的衰减率老化测试验证数据,钙钛矿组件的常规使用的寿命并不逊于晶硅电池。极电光能还取得钙钛矿行业全球首张德国莱茵T V质量安全标准认证证书,电池组件产品可立即进入欧洲市场。

  单结钙钛矿电池组件在晶硅同等效率和常规使用的寿命下,由于其更优的生产制造成本,势将会得到更快的市场应用,带动钙钛矿电池产业化大大加速。

  二是头部企业量产进程加速,设备、靶材等产业配套正在慢慢地完善,将带动钙钛矿电池的产业化进一步加快。协鑫、极电、纤纳、仁烁几家头部钙钛矿企业均已完成100-150MW以上中试产线建设,陆续开展GW级产线建设。其中极电、协鑫、纤纳GW级产线今年内即将投入生产,预计2025年将进入正式规模化生产;待GW级产线GW更大规模的产线建设。相关设备企业亦积极跟前瞻布局,共同配合持续研发提升,钙钛矿镀膜、激光划刻等核心设备持续升级并已实现量产交货;极电、协鑫、纤纳、仁烁等企业在产线整线建设工艺及工程能力亦持续提升,尤其极电光能自身具备设备产线工艺设计能力,已在钙钛矿装备领域形成成熟的设备工艺整线解决方案,可协助行业加快产线布局;TCO导电玻璃、靶材等重要材料国内企业已可批量生产和供应,产业配套逐渐完备,为钙钛矿电池组件的规模化生产及降成本提供良好条件。

  三是部分头部企业已开始组件连续生产出货,钙钛矿电池组件示范应用加快,市场信心持续增强。三家头部企业极电、协鑫、纤纳,在加快建设GW级产线MW级中试线陆续开展了钙钛矿电池组件的量产出货。据相关宣传报道,极电光能继5月底出口日本的钙钛矿电池组件完成首批产品交付后,6月22日极电光能承接的国电投MW级钙钛矿电池商用组件完成各项质检,顺利完成产品交付。在产品应用上,极电、协鑫、纤纳、仁烁目前均已有单结钙钛矿电池组件产品陆续在央企和地方能源企业下游集中式、分布式电站,建筑光伏、农光互补大棚光伏、高速护栏光伏等领域开展了示范应用。其产品的稳定性及发电效率,也在多场景的示范应用中持续得到验证,逐步坚定了下游用户的信心和希望,为钙钛矿电池组件的产业化发展,将创造良好的市场环境。

  三、光伏行业产能过剩内卷严重,钙钛矿和异质结成为新的希望,或将双双引领行业新一轮产业的迭代升级

  (一)TOPCon迭代替换传统P型电池,并未实现对光伏行业“内卷”的拯救

  光伏行业过去15年从“两头在外”的起步阶段,到2018年“531”补贴取消时的命悬一线年全面实现“平价上网”后的高歌猛进,最后在经历了过去三年爆炸式增长之后,“产能过剩”这头灰犀牛毫不意外的出现了。

  据相关统计,2023年国内新增光伏装机216.3GW,同比增长147%;海外新增光伏装机约173.7GW,同比增长25%;全球新增光伏装机390GW,同比增长70%。进入今年一季度,国内光伏装机和组件出货仍维持高增长,国内新增装机量45.7GW,同比增长36%;组件出口67.6GW,同比增长33%;国内前15大组件企业出货量111GW,同比增长47.5%。无论是国内还是全球,光伏市场依然保持着快速的增长,尤其是国内在前几年高增长基数的情况下依然保持快速的增长,光伏行业需求依然火爆。

  但在火热需求的另一方面,是更加火热的产能扩张带来的产能过剩问题。据调研机构的数据统计,截至2023 年末,光伏主产业链各环节名义产能将达到近1000GW,超出实际的需求的近4倍。即使考虑产能利用率折扣,行业整体出现产能过剩已经是无可避免的事实。

  从上游的硅料到硅片、电池片、到最终的组件所有的环节,2023年期产品价格都是一路下行;而且在进入2024年后,价格趋势非但没有企稳,反而有加速下滑迹象。硅料、硅片、电池、组件等几乎所有主材环节,价格都已经低于现金成本,形成光伏产业链价格的集体崩塌。光伏组件价格从2022年四季度开始下跌,并在2023年下半年加速,截止今年5月末,光伏组件已跌至约0.8元/w,一年半的时间,跌幅超过50%。

  据华创证券针对38家光伏行业A股上市公司做的数据统计,2024年一季度,光伏板块核心标的实现盈利收入2115.0亿元,同比减少20.6%,环比减少28.5%;实现归母净利39.5亿元,同比-89.4%。分产业链环节来看,硅料、硅片、电池、组件2024年一季度营收同比增速分别为 -28.4%、-38.4%、-47.0%、-20.0%;归母净利同比增速分别为 -90.5%、-156.0%、-126.1%、-107.7%。利润下滑的幅度更大。组件环节晶科、晶澳、天合、隆基、阿特斯等前五大企业,一季度营收和毛利不仅双下滑,而且下滑的幅度还很大。

  4、迭代P型电池的TOPCon仍未抗住本轮降价潮的冲击,价格跌幅近60%

  近三年来,随着P型单晶电池效率接近上限,光伏公司开始大力推动以TOPCon、HJT和BC为代表的N型电池技术的产业化。特别是TOPCon,自2022年起便率先进入大规模量产。全球光伏组件出货排名靠前的晶科、晶澳、天合、隆基、通威、阿特斯、正泰、一道等企业,均在TOPCon领域重点布局,规划或扩产的N型TOPCon产能规模均在数10GW的水平。据有关预测,2023年全年TOPCon组件出货规模在110GW左右,2024年这一数字将增长三倍甚至接近四倍,市占率将达到65%,PERC电池技术的市占率将下降至23%。

  TOPCon在成为技术主流的同时,也已面临着过剩冲击,被迫降价。目前,TOPCon组件与PERC组件的价差正在缩小,个别远期招标价格甚至会出现平价情况。InfoLink Consulting发布的多个方面数据显示, 2024年1月11日主流P型PERC电池和组件(单面)价格均价分别约为0.37元/瓦和0.9元/瓦;N型TOPCon电池和组件价格均价分别为0.47元/瓦和0.98元/瓦。与2023年同期相比,主流PERC电池和组件(单面)价格分别下跌52.75%和49.44%;TOPCon组件的价格亦下跌了近一半,达到48.96%,相比前8个月,N型TOPCon电池价格也已经下跌近60%。TOPCon电池片及组件成本虽已与P型电池比较接近(TOPCon分别为0.5314、1.0649;PERC分别为0.4951、1.0241),效率已高出4个点左右,但仍扛不住这一轮产能过剩下的价格下行冲击。大量PERC产线或将面临停产,或选择改造升级为TOPCon产线,这势必更加剧未来TOPCon电池产能过剩的局面。

  4、TOPCon电池或将因P型企业在本轮产能出清中转产升级,快速形成新的产能过剩并延续价格内卷格局

  在本轮出清中按照光伏行业过去几轮周期的经验,基本上每一轮周期中,80%到90%的企业都会被淘汰,甚至包括一些头部企业或者明星企业。光伏行业的产能出清,在这一轮价格下滑的“内卷”中也已开始。TOPCon电池替代效率更低的P型电池,并未如预期给众多光伏公司能够带来新希望。现阶段TOPCon电池价格承压,主要的原因,或许是P型电池在出清过程中低价求生存,以及P型加TOPCon等产能过大造成的市场降价冲击;但未来也可能因为TOPCon电池自身技术门槛不高,原P型电池企业在这一轮中会有部分有能力的企业通过改造其PERC产线升级到TOPCon产线,进一步增大TOPCon电池的产能。

  因此,可以预计未来2-3年,在P型电池产线完全淘汰出清以后,仍将可能会因为TOPCon电池产能的过剩,形成价格的“内卷”。光伏行业,需要新的、更好的技术和产品来拯救!

  1、HJT电池已逐一突破技术和降本难题,开始具备与TOPCon电池正面竞争的能力

  晶硅电池的技术创新和产品迭代,包括N型的TOPCon和HJT异质结,已于行业孕育多年。TOPCon电池因其工艺路线与P型相近,可在原P型产线上进行升级改造,技术难度相比来说较低而得到快速的推广应用,原光伏头部厂商大都投入该路线,加快了市场的产品迭代;而同为N型的异质结,则是全新的工艺路线,意味着原有设备产线需全部淘汰,不仅需要新增一大笔投资,而且在其核心的工艺及材料上技术难度高,高昂的材料价格导致产品制造成本居高不下,也因此延缓了其产业化的进程。现今通过行业企业坚持不懈的技术攻关,生产制造工艺上的难题、材料上的难题、降本上的难题等,均陆续逐一得到突破。

  从生产成本角度看,相比PERC与TOPCon电池,HJT电池在硅片薄片化方面更有优势,能轻松实现更低的硅片成本,其成本增量则大多数表现为更高的设备折旧、电极浆料成本及靶材成本等。据有关联的资料显示,HJT异质结低温银浆电池组件的制造成本,目前已降到1.16882元/w,只比TOPCon高0.1033元。实施新的银包铜工艺替代全银浆材料后,HJT电池片和组件成本已实现较明显的下降,2023年底HJT银包铜电池组件成本已下降到1.1375元;预计到2024年底,异质结铜电镀电池组件成本将下降到1.0788元,已基本与TOPCon的成本持平;到2025年底,HJT银包铜电池的制造成本将明显优于TOPCon电池,下降到1.0356元。组件效率上,2023年HJT低温银浆和银包铜电池组件均已达到23%,超过目前一般TOPCon电池组件22%的效率;2024年和2025将分别达到23.6%、24%。撇开HJT异质结需新增产线投入因素,HJT电池从效率到制造成本两个方面,均已开始具备与TOPCon电池正面对决的实力。加之HJT电池工艺流程短和其低温制程工艺能耗更低,未来还将有更大的降本空间。叠加HJT电池具备的更低衰减率下的长常规使用的寿命、高双面率具备更高背面发电量、更低温度系数下的高发电量,HJT电池相比TOPCon电池将更具市场之间的竞争优势。

  2、钙钛矿电池已开始走出单结组件产业化路子,未来两三年通过量产降本有望提前投入商业化应用

  钙钛矿电池单结31%、叠层45%以上的高转换效率,被光伏行业寄予了厚望,也是光伏新能源产业未来发展的希望所在,将对全球未来新能源转型和实现“双碳”目标绿色低碳发展发挥重大推动作用。因此钙钛矿电池被称为“未来电池”,一直得到科技机构和光伏行业格外的重视。近年来钙钛矿电池技术研发突飞猛进,大面积单结电池组件的转换效率已突破18%的关键节点,初步具备商业化应用的条件。随着大面积制备结晶工艺的提升,材料抗衰减稳定性技术和工艺的突破,量产工艺和整线设备的不断成熟和完善,钙钛矿电池组件的效率、稳定性及生产制造成本“三大关键要素”,都有希望助力钙钛矿电池的商业化应用和规模化生产。

  在制造成本上,单结钙钛矿电池组件的生产制造仅包含原材料加工、功能层制备、组装3个环节,全生产的全部过程均可在一家工厂45分钟之内完成(晶硅电池需要3天以上),不仅大幅度的提升了生产效率,还能够节省更多的设备及产线投资(仅为晶硅组件的一半左右,规模化生产后约4-5亿元/GW)。此外,钙钛矿电池材料成本较低,生产制造的能耗不及晶硅组件 1/10,其综合制造成本的优势十分明显。晶硅电池组件由于其前端电池片的制造,从硅料生产—硅片制造——再到电池片生产,各环节基本都属独立生产,其降本已达到极限;而钙钛矿电池组件则可在同一工厂、同一条产线连续生产,具有天然的成本优势。因此,钙钛矿电池未来除可以高出晶硅N型包括TOPCon、HJT等很多的转换效率这一非常大的优势之外,还有生产制造成本及生产效率的非常大的优势。两项“绝对优势”,将决定钙钛矿电池作为“未来电池”的行业定位,同时光伏行业的“未来”,也有希望加速到来!

  从目前的进展看,位于江苏无锡的极电光能率先开启了GW级产线建设,昆山协鑫光电、杭州纤纳光电也已在2023年开建GW级产线年均可正式投入生产,并将在2026年左右开建5-10GW级产线。常熟仁烁光能也已规划2024年投建GW级产线。据目前极电、协鑫、纤纳等几家头部钙钛矿企业组件中试线元/w左右;GW级量产预计可降低到0.8-0.9元/w;5-10GW生产可逐步降低到0.5-0.6元/w以下,仅为晶硅的65%左右,对应电站度电成本0.24元/W,远低于晶硅降本极限,将具有较显著的成本优势。

  因此,预测单结钙钛矿电池组件从2025年将开始在下游光伏电站及建筑光伏、交通光伏等领域,从示范应用逐步往商业化应用过渡;历经3年左右的持续提效和降本,预计到2027、2028年左右,在钙钛矿单结电池组件转换效率逐步提升到接近或达到TOPCon、HJT电池,并在进一步具备其较明显成本价格上的优势后,会在光伏市场得到较大规模的应用。据中国光伏协会(CPIA)预测,预计2024年钙钛矿电池新增产能将达到2GW,市场渗透率将达到0.5%;2030年将达到161GW,市场渗透率将达到30%。

  未来3年(2025-2028年),很可能是HJT异质结电池在晶硅赛道崛起发展的3年;预计3年之后(2028年之后),则可能是钙钛矿电池开始发力,并将与HJT异质结电池在光伏市场“比翼齐飞”的格局。

  (三)钙钛矿与HJT工艺上天然适配的优势,钙钛矿/HJT叠层电池的“双向奔赴”,未来十分可期

  1、钙钛矿电池与晶硅等形成叠层电池,或将是“未来电池”的终极路线。钙钛矿/晶硅叠层电池,是指在光伏电池中搭配钙钛矿及晶体硅两种半导体材料,按禁带宽度从小到大、光谱波段由长到短从底向顶叠合,让波长最短的光被最外侧的宽隙材料电池利用,波长较长的光能够透射进去让较窄禁带宽度材料电池利用。从而减小单结电池中载流子热驰豫导致的能量损失,拓宽太阳能光谱的利用范围,实现光子全方位吸收。目前已开始量产的单结钙钛矿电池,其理论效率可达31%;但钙钛矿与晶硅的叠层电池,转换效率极限可拓宽至46%以上。因此,目前已有部分钙钛矿企业开始步入该路线年投建的钙钛矿GW级产线m大尺寸钙钛矿/晶硅叠层电池;仁烁则投入全钙钛矿叠层电池路线,也是目前行业唯一进行全钙钛矿叠层电池研发的企业。

  对钙钛矿电池未来的发展,不像别的行业一个颠覆性技术和产品往往会受到排斥、挤压甚至封锁围堵的局面,晶硅企业目前并没有对钙钛矿进行简单的排斥,反而是积极投入进行研发试验。尤其进入2023年,看到钙钛矿电池产业化的曙光,隆基、天合等一大批晶硅巨头,以及其他众多TOPCon、HJT晶硅电池厂商,大都开始投入钙钛矿电池的研发。

  晶硅企业主动拥抱钙钛矿电池产业化的到来,是基于钙钛矿可与晶硅电池形成转换效率更加高的叠层电池,未来钙钛矿电池对晶硅电池并非直接的替代,而是从更高的技术上进行的迭代升级。晶硅厂商可通过现存技术和产线,未来将两种技术结合可谋求更好的发展前途。同样,钙钛矿企业主动拥抱晶硅产业,也是基于其自身研发的钙钛矿核心技术,利用晶硅已有成熟技术和产能,实现自身产品的升级发展。钙钛矿与晶硅电池的“双向奔赴”,或将是未来钙钛矿技术发展的终极方向。

  相比TOPCon电池,钙钛矿与HJT异质结的叠层电池或更代表未来的方向。其核心主要在工艺路线上,HJT电池表面为TCO层,制备叠层钙钛矿电池时可以直接将钙钛矿叠加,工艺路线更为相融;而TOPCon电池表面为氮化硅层,氮化硅不导电,需要在保证钝化效果的同时去掉或改性氮化硅层。转换效率方面,HJT与钙钛矿在光谱吸收方面互补,可实现更高的转换效率。此外,HJT电池制备是低温工艺,一般低于250℃,与钙钛矿低温制备工艺更加适配。

  因此,钙钛矿与HJT异质结的“双向奔赴”,可能才更容易结成“连理”、结出“硕果”!

  钙钛矿与CIGS薄膜电池的叠层,在带隙宽度可调上能与钙钛矿顶电池带隙匹配。单CIGS通常通过真空方法沉积,导致表面粗糙,因此其重要挑战,是在粗糙的CIGS电池表面保形生长钙钛矿顶子电池,或通过增加表面后处理工艺或者优化CIGS吸收层的沉积工艺改善表面粗糙度。

  全钙钛矿叠层电池理论效率更加高,制备温度远低于晶硅,全生命周期的能耗更低(制造成本可达到晶硅组件成本的 50%),有望取得比钙钛矿/晶硅叠层电池更低的度电成本(为晶硅的50%)。钙钛矿组件的更具成本优势,并在建筑光伏、车顶光伏与消费电子光伏方面比钙钛矿-晶硅叠层更具应用前景。但在叠层电池的良品率与钙钛矿层的大尺寸效率上,其稳定、连续生产还不能满足,全钙钛矿叠层电池的稳定性问题也还需要在实际运作情况下进行验证。

  从产业化发展路径来看,钙钛矿太阳能电池发展前期以单层结构为主(即“单结”),单结电池技术成熟后预计将逐步向叠层电池发展,开始以四端叠层结构为主,后有望逐渐发展至两端叠层结构。

  四端叠层电池(4T)结构相对简单,优点是各个子电池相互独立工作,电池环节无需增加新的工艺设备,且不要求子电池电流匹配,预计叠层电池发展早期或将以四端结构过渡。但4T叠层电池包含三个透明电极,会增加电极对光的吸收,影响器件效率;且在实际运用中,需要更加多的外部辅助设备,更多的外接电源,增加了器件的使用成本。

  两端叠层电池(2T)工艺成熟后,有望成为终极技术路线。仅需要一个透明电极,寄生吸收低,且由于透明电极的减少使外接电路较简单,不仅效率更加高,而且有利于减少相关成本,具备较高的商业化生产潜力。但2T 叠层电池为串联结构,电流由两个子电池中较小的电流决定,故子电池应具有近似的电流,对子电池电流匹配性要求高;且在制备第二层子电池的时候,溶剂、后续退火都可能会损坏第一个子电池,对器件制备工艺提出了挑战。此外2T 叠层电池对两个子电池之间的中间层要求很高,两端叠层结构工艺难度较高。

  四、“速度决定出路”,高技术门槛下产业化进度越快的企业可能会抢得钙钛矿发展的先机

  目前钙钛矿电池产业化的行业整体格局,基本是“新势力单兵突击;晶硅巨头积极跟进;行业巨头跨界涌入”:

  一是“新势力”量产先行,推动钙钛矿产业化不断成熟,将可能率先步入产业化的快车道。当前钙钛矿电池产业化能力,基本仅集中在协鑫、极电、纤钠、仁烁等少数几家专业钙钛矿电池企业。这几家企业经过前期小试、中试生产,已基本解决钙钛矿电池面积放大后的效率提升和材料稳定性等技术问题,并已在产线整线设计和工艺优化方面初步积累了一定的经验;通过接下来其GW级工厂的量产磨合,将可能在近两三年较快实现规模化的生产制造,从而抢先占领部分应用市场。

  二是晶硅巨头“被动”入局,带动大批晶硅厂商加入,在单结钙钛矿电池先行应用的情况下,其产业化的步伐可能会受到一定阻滞。2023年短短一年,许多晶硅企业快速完成加入钙钛矿的大转变。但目前晶硅厂商大多数都还处于实验室研发阶段。钙钛矿电池在技术放大中的工艺技术难度要远高于晶硅电池,因此晶硅厂商在钙钛矿电池研发和产业化的过程中,尚有较长的路要走。且基于其现有的晶硅产能布局钙钛矿/晶硅叠层电池路线,一方面相比逐渐成熟的单结钙钛矿电池组件制造,叠层路线在制备工艺上还有更多的技术难点需要克服(业界预计大致5年后,即2029年甚或2030年后);另一方面叠层电池在效率尚未达到应有高度的情况下,其比单结钙钛矿电池高出很多的组件成本,也将成为制约其市场应用的重要瓶颈因素。

  三是能源央企押注,行业巨头跨界涌入,钙钛矿太阳能电池行业尚未开局即现竞争。能源央企中有华能、国电投、中能建、华电、中核等;跨界巨头中有宁德时代300750)、比亚迪002594)、京东方等。但大都还在实验室研发或开始组建研发团队阶段。

  (二)行业洗牌一直在进行,高技术门槛决定的钙钛矿电池产业化可能显现“速度决定出路”的格局

  上述情况,基本能判断,在光伏新能源行业普遍追求提效率、降成本的大环境下,市场期待钙钛矿尤其已看到曙光的单结钙钛矿电池加速量产和应用。但钙钛矿技术在相当长一段时间之内还是一个高技术门槛的行业,不大可能像晶硅行业较容易跨界投资形成产能;除此以外还有产业链成熟的速度,尤其设备环节在较短时间内较难形成大的产线交付能力,也会限制后面跟随企业的跨越式发展。

  在此形势下,“速度决定出路”,产业化进度越快的企业才能抓住行业迭代的先机抢先占领未来的市场;而大量跟随企业或将尚未进入量产即被阻挡在行业门槛之外。随着钙钛矿电池产业化的进程加速,钙钛矿电池组件、即使单结电池,其所具有的更高效率、更低成本等优势,也有一定的可能对光伏行业的市场格局重塑带来比较大的冲击。包括众多初创的钙钛矿企业、晶硅电池原有赛道研发技术能力和实力不济的晶硅企业,以及其他跨界企业,很可能在钙钛矿与晶硅尚未走上叠层电池路线之时即被淘汰出局;在下一轮叠层电池到来之时,可能又将被市场无情淘汰一大批企业。

  光伏行业的洗牌,一直在进行。也因此不排除在当前产业化速度最快的几家钙钛矿企业中,未来会诞生出光伏行业新的领军企业。未来光伏行业的重新洗牌和市场格局调整,非常有可能发生。

  (三)产业化初期的循序渐进可能会走得更加把稳扎实,单结钙钛矿组件有望率先打开市场局面

  钙钛矿电池产业化的路线,目前几个头部企业布局的GW级产线出现单结电池组件和叠层电池组件两个方向,这几家企业均各有各的主张。观察钙钛矿企业单结与叠层发展路线之辩,可能其核心点还在商品市场端的“性价比”,即单W功率决定的转换效率,与组件制造成本+下游电站建设增加成本的比较上。

  光伏行业有一个基本公式,即:“光伏发电的功率=组件面积 x 效率”。下游电站投资,是按光伏组件的单W功率价格采购,效率越低则需要的光伏组件面积越大。在目前钙钛矿电池效率还不及晶硅电池的情况下,则意味着需要采购比晶硅更大面积的钙钛矿电池组件。一方面对钙钛矿企业来说卖出1W钙钛矿电池,则需要更加多的材料和制造成本,亦即单W的钙钛矿电池制造成本更高;另一方面对下游电站投资来讲,使用钙钛矿电池则需要更加多的用地、安装更多的光伏支架、更多的电池连接线、以及更多的施工费用。这部分增加费用,则是钙钛矿电池相比晶硅电池需要增加的成本支出。

  钙钛矿电池企业要能走出其产业化的道路,必须将效率提升和规模化降本同步推进。只有通过持续研发加快提升电池的效率,通过效率提升来提高电池组件的发电功率;同时亦要通过技术和工艺一直在改进成熟,提升产品的一致性和良品率,降低电池组件的制造成本。提升效率意味着组件功率提高,由此也会减少下游电站增加的费用支出,以此来实现电池组件成本的下降。

  从上述角度,选择钙钛矿与晶硅的叠层路线,理论上其理据是相当充分的。目前几家头部钙钛矿企业M2级单结大面积组件效率已达到18%以上,但离市场晶硅22%以上的效率差距还很大;将18%的单结钙钛矿与晶硅形成叠层,效率可达26%以上,从效率上显然已具备与晶硅TOPCon或HJT电池竞争的优势。但如将单结钙钛矿电池目前中试产线元/w左右的成本,与TOPCon或HJT电池组件成本相加,钙钛矿/晶硅叠层电池的生产所带来的成本,将大大高于晶硅电池,势将在很大程度上抵消了其效率上的优势。

  而且从叠层电池(目前阶段也只能做出四端叠层,离未来理想的两端叠层更加遥远)目前的技术进展看,尚有很多技术和工艺的难点需要突破。业界普遍预期,叠层电池的技术成熟,恐还要5年左右的时间。目前虽已有企业制造出了钙钛矿/晶硅的叠层电池,但在大规模、连续性产线生产上,其产品的一致性和良品率能有多少保证,在目前单结电池组件工艺都需要逐步提升的情况下,立即进入叠层电池生产,恐难以控制最后的产线成本,达不到应有的提效和降本的目的。大量产业高质量发展的实践都显示,有很多创新前面99%的难关都攻破了,最后却倒在剩下的1%上。这1%,往往即是在工艺产线环节。

  此外,在钙钛矿电池生产制造的产线设备上,目前专业设备企业与钙钛矿电池研发企业密切协作,尚在持续的开发调试过程中。除极个别钙钛矿企业已初步具备设备整线工艺解决方案和能力外,基本上国内尚未有一家设备企业具备整线解决能力。这一情况,也对钙钛矿电池的加速产业化形成一定的掣肘。在此情况下,提前进入叠层电池的生产制造,恐更难以保证。

  根据上面讲述的情况,钙钛矿企业在产业化初期,可能先走单结组件量产道路,会更加可靠且更有前途。在跑通单结GW级产线,钙钛矿电池组件生产制造设备工艺整线运行协调顺畅后,通过工艺和工程化能力提升产品一致性和良品率,使钙钛矿电池组件的成本控制达到应有的目标,可能才能走稳钙钛矿电池产业化的道路。从这个方面,当前钙钛矿电池产业化,第一步是要解决的应是量产后工艺的成熟和产线运行的协调顺畅。不首先解决这一个问题,任何企业都不能获得下一步的发展。

  解决了工艺和产线成熟顺畅问题,意味着钙钛矿企业其生产制造的一致性和良品率会有较好的效果,未来电池组件量产后的成本控制力才能更有信心。按钙钛矿电池组件产业链产线短、投资省、生产效率高、材料成本更低,电池组件综合制造成本量产后会有更好的竞争优势;加上努力提高组件效率,以更低的组件成本去对冲短时期内(2-3年)效率不足(两三年内可能还达不到晶硅24%)给下游带来的安装施工增加成本,可能应能与目前晶硅电池比拼;未来3-5年效率提高到晶硅的24%甚至超过晶硅电池,一方面钙钛矿电池成本优势显著,另一方面下游电站的建设成本与晶硅相当,单结钙钛矿电池就会更具市场优势。按照前面与晶硅HJT异质结电池迭代的时间秩序,在未来3-5年钙钛矿电池崛起的时代,非常有可能会是单结钙钛矿电池担当主力。

  技术与产品的迭代,一般比拼的是速度。谁能更快走出产业化的道路,抢先占领市场,才可以获得更好的未来。尤其初创企业,如果第一步没有走稳,较长时间卡在产线工艺环节,要么不能很快出产品,要么因产线工艺原因无法连续性大规模生产制造,导致产品的一致性和良率低,克服不了“降本”难关,对企业自身来讲就很不利。钙钛矿企业大多是科技团队创业,无另外的业务支撑。长时间不能“回血”,时间久了就很危险。过去投入HJT异质结电池的部分创业企业就是前例!所以,创新的步子不能跨的太大,仍需要循序渐进。

  与此同时,单结钙钛矿企业持续在叠层电池路线上同样下功夫研发实验,在完全突破叠层电池技术、工艺和工程化等诸方面的难题后,在现有产线上增加叠层电池组件相关设备,实现钙钛矿/晶硅叠层电池的技术升级,方能有更好的基础和能力。因此,我们仍旧是看好目前选择单结路线的钙钛矿企业,可能既能赢得当下,更能赢得未来!

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