光伏行業深度報告:回顧光伏行業變革 展望未來高效之路

北極星太陽能光伏網訊:一、回顧光伏電池行業

（一）光伏電池的基本原理

光伏發電的基本原理是利用半導體的光生伏特效應（Photovoltaic Effect，PV），在太陽能電 池內部 PN 結上形成電位差，從而將太陽能轉換為電能，因此光伏電池是決定光伏發電效率的核心器件。

光伏電池中的最核心部分是 PN 結，作為光伏電池的基本結構單元，在 P 型（摻硼）半導體 和 N 型（摻磷）半導體的交界面形成。P 型半導體摻雜元素為硼，空穴作為多數載流子（多子） 主要參與導電，電子是少數載流子（少子）；N 型半導體摻雜元素為磷，電子作為多子主要參與導電，空穴是少子。

由於半導體內載流子濃度的差異，在 PN 結會形成一個由 N 指向 P 的內電場。當太陽光照射在半導體表面， PN 結附近的電子吸收能量變為移動的自由電子，同時在原來的位置形成空穴。自由電子受到內電場的作用會向 N 區漂移，同時對應空穴向 P 區漂移。當連接電池正負極形成 閉合迴路時，自由電子受到內電場的力從 N 區經過導線向 P 區移動，在外電路產生電流。

根據半導體材料的不同，可以將太陽能電池分為晶矽太陽能電池和薄膜太陽能電池。晶矽電池是研究最早、最先進入應用的第一代太陽能電池技術，按照材料的形態可分為單晶矽電池和多 晶矽電池，其中單晶矽電池根據基體矽片摻雜不同又分為 P 型電池和 N 型電池。目前應用最為 廣泛的單晶 PERC 電池即為 P 型單晶矽電池，而 TOPCon、異質結、IBC 等新型太陽能電池技 術主要是指 N 型單晶矽電池。

（二）從太空到地面，光伏行業增長了 1500 倍

1839年法國科學家E.Becquerel發現液體的光生伏特效應算起，太陽能電池已經經過了180 多年的漫長的發展歷史。1877 年 W.G.Adams 和 R.E.Day 研究了硒(Se)的光伏效應，並製作第 一片硒太陽能電池。

我國1958年正式開始研發太陽能電池，最初研發出的光伏電池主要用於空間領域。1975 年-1976 年寧波、開封先後成立太陽電池廠，電池製造工藝模仿早期生產空間電池的工藝，太陽 能電池的應用開始從空間降落到地面，但由於產品價格貴地面光伏市場小，20 世紀 70 年代至 20 世紀 90 年代，行業發展幾乎停滯。

直到 2000 年德國頒布《可再生能源法》帶動歐洲地面光伏市場興起，進而帶動我國開始出 現光伏產業鏈的配套公司，地面光伏市場才真正開始逐步發展起來。2002 年我國無錫尚德第一 條10MW多晶矽電池產線宣布投產，我國光伏產業全面國產化進程正式開啟。

2003 年到 2005 年，在歐洲特別是德國市場持續拉動下，尚德和保定英利持續擴產，其他 多家企業紛紛建立太陽電池生產線，使我國太陽電池的生產量迅速增長到達 MW 級別。2007 年 我國光伏新增裝機約 20MW，之後十多年我國通過補貼等多種政策的扶持，到 2019 年我國光伏 新增併網達 30.1GW，較 2007 年增長超 1500 倍。

近二十年光伏電池市場主要以技術更成熟的晶矽電池為主，2008 年前後由於晶矽電池上遊 多晶矽料出現緊缺，導致晶矽電池成本高企，薄膜電池作為第二代電池受到市場關注，市場份額 一度出現回暖。但隨著 2008 年-2009 年和 2010 年-2011 年兩輪多晶矽料價格的斷崖式下跌，晶 矽電池成本得以大幅下降，度電成本大幅降低，成為目前光伏電站市場的絕對主流。而薄膜電池 僅保存了特定市場的極小份額。

多晶矽價格暴跌後，多晶矽片經濟性曾一度領先單晶。但從 2015 年-2016 年開始，以隆基 為首的單晶廠商實現技術突破，大幅降低了單晶矽片單片成本。由於單晶矽電池具備更高的轉化 效率，導致單晶矽片對應的單瓦成本實現反超，比多晶更低，後又出現以 PERC 電池為代表的 高效單晶矽電池，進一步推動了單晶矽對多晶矽的替代，單晶矽電池市場份額自 2016 年起開始持續攀升。

（三）兩輪多晶矽料的價格暴跌，奠定晶矽電池發展基礎

2004 年之前，絕大部分多晶矽產量用於半導體產業，太陽能級多晶矽需求僅用電子級矽的 邊角料即可滿足，因此，多晶矽產能主要受半導體產業影響。2003 年德國光伏補貼政策出臺， 帶動了德國太陽能光伏應用市場，從 2004 年起在以歐洲、日本、美國為代表的太陽能光伏應用 市場的帶動下，太陽能級矽的需求呈現較快速度增長。據賽迪顧問數據，2004 年全球光伏電池產量達 1195MW，到 2009年全球光伏電池產量增長到 10400MW，增長近 9 倍，我國光伏電池產量2009年達3460MW，較 2005 年增長近 25 倍。

早期矽料產業被海外 7 家廠商壟斷：

雖然光伏市場呈現了跨越式增長，但由於原料多晶矽制 作技術難度大，工藝複雜，且核心技術集中在 Hemlock(美國)、Wacker(德國)、Tokuyama(日本)、 REC(挪威)、MEMC(美國、義大利)、Mitsubishi(日本、美國)和 Sumitomo(日本)七家廠商手中。

即使廠家產量擴增，但一般多晶矽的生產線建設期在 2 年左右，經過後期的不斷調試，完全 達產則需要 3-5 年時間。因此全球原料多晶矽市場一直由傳統 7 大廠商壟斷，其市場份額約佔市 場總額的 70%以上。

2005 年-2008 年矽料出現價格暴漲，光伏薄膜電池實現高增長：2005 年矽料價格約 100 美 元/kg，2006 年第四季度多晶矽突破 300 美元/kg 後，2007 年底升至 400 美元/kg，2008 年 9 月，多晶矽價格最高時接近 500 美元/kg。在矽料價格暴漲的同時，光伏薄膜電池性價比逐漸凸 顯，市佔率從 2005 年的 6.5%爬升至 2009 年的 19.5%。

自主研發矽料逐步投產，2008 年-2010 年矽料價格迎來第一輪暴跌：在全球多晶矽供應不 足，價格持續上漲情況下，中國掀起多晶矽投資熱潮。以洛陽中矽高科為首，自主研發的多晶矽技術成功實現產業化後，多晶矽已成為全國的投資熱點。國內多晶矽規模迅速擴大，促使國外多晶矽生產的單項技術和設備也開始優惠進入中國，技術和裝備水平不斷提高，多晶矽產量迅速擴 大，2006 年中國多晶矽產量僅 387 噸，2007 年達到 1130 噸，2008 年達到 4210 噸，2009 年 中國多晶矽產量達到 20000 噸。

截至 2008 年，全國共有 16 個省市自治區布局投資了 33 個多晶矽建設項目，而 2008 年多 晶矽實際產量只有 4000 多噸。截至 2009 年底，中國已建成原料多晶矽產能接近 5 萬噸，大大 小小的項目以及規劃項目不下 40 個，江西、四川、江蘇等省已經成為國內多晶矽項目的主要分 布地區。

由於光伏產業的過度投資，導致多晶矽價格呈現「過山車式」的波動。到 2008 年末多晶矽 價格已經跌至每公斤 150 美元左右。2009 年 3 月，多晶矽價格最低時到過每公斤 50 美元，跌 幅近 90%。

國內有實力的產商擴產，2010 年-2012 年多晶矽料第二輪暴跌：2010 年國家《多晶矽行業 準入條件》的出臺，進一步提高了行業進入門檻，多晶矽行業在國內又呈現出幾個大企業壟斷的 局面，保利協鑫、江西賽維 LDK 和洛陽中矽產能位列全國前三。

且業內仍有具有一定影響力、資金雄厚的多晶矽企業仍在不斷投資。受海外新增裝機增速下 滑影響，在 2011 年末，多晶矽料再次出現斷崖式下跌，從 2010 年 9 月的近 700 元/kg 下跌到 2012 年的約 100 元/kg，跌幅超 85%。

隨矽料成本的大幅下行，晶矽電池組件成本大幅下降，成為太陽能電池中的絕對主流：晶矽電池相對於薄膜電池起步更早、效率更高。隨兩輪多晶矽價格的大幅下行，多晶電池片成本快 速下降，更便宜的多晶矽電池組件，大幅降低了度電成本，成為目前光伏市場絕對主流。

單晶矽電池效率持續攀升，BOS 成本優勢也逐漸顯現：隨著組件成本的快速下降，提升電 池組件轉換效率攤薄 BOS（除組件外系統成本）成本顯得越來越重要。2015 年光伏領跑者計劃 啟動，推動了高效率電池發展，之後三年內單晶 PERC 電池佔比迅速提升。到 2019 年，單晶電 池市佔率達到 65%，二十年來首次超過多晶電池。

（四）金剛線切割大幅降低單晶矽片成本，奠定單晶電池發展基礎

2010 年至今，受益於各種降本增效技術的應用，光伏作為曾經昂貴的清潔能源現在正變得 越來越廉價，目前全球大部分地區已經實現平價上網，部分地區光伏度電成本甚至低於化石燃料 度電成本。如果以 2015 年作為單多晶技術變革的分水嶺，2011 年-2015 年全球光伏新增裝機年 複合增速為 15%，2015 年-2019 年全球新增裝機複合增速達到 23%。

回顧單晶矽對多晶矽的替代，核心在於金剛線的切割技術的普及，大幅降低了單晶矽片成本。金剛線當時主要是替代砂漿切割技術。

金剛線技術增切速、降線耗：傳統的砂漿鋼線切割切速僅有 0.4 mm/分鐘。金剛線切割可採 用 1.0~1.2 mm/分鐘以上的大切速，切割效率大幅度提升 2-3 倍以上。同時，隨金剛線切片技術 的發展，單片矽片耗線量也在成倍下降，由原先的 3 米/片已經降到現在的 1.5 米/片。切割成本 的下降使金剛線技術快速普及。

細線化、薄片化提高矽片產量：金剛線基本以每年 10-20um 的速度在細線化，當時國內先 進企業已實現母線80um金剛線切片量產，日本當時已有廠家開始小範圍使用母線70um金剛線。薄片化可大幅提高每公斤單晶出片率、提升切片產能，為單多晶矽片成本逆轉提供有力支撐。

當切割矽片的方法由砂漿切割轉變為金剛線切割時，按當時的 120元/kg的矽料的成本計算， 每一片，矽料的成本就可以每片降低 0.59 元。考慮到金剛線線徑逐年變細，切割速度增快，產 能大幅增加，產品的折舊成本也會有所減小。據測算，當矽片厚度由 180 μm 下降至 160 μm， 矽片生產的折舊成本將下降 0.26 元/片。

在隆基股份的單晶矽片出來之前，保利協鑫是當之無愧晶矽龍頭。2015 年底協鑫多晶矽和 多晶矽片產能分別達到 7 萬噸和 14GW，市佔率分別高達 30%和 40%，均列全球第一。對比兩家公司的發展，可以明顯發現自 2015 年金剛線切割開始普及，明顯提升了單晶矽片的成本下降 速度，按當時的電池片效率估算矽片的單瓦成本，2016 年單晶對多晶實現了成本優勢的反超。

隆基得益於領先的成本優勢，藉助高效 PERC 單晶電池的載體和領跑者計劃培養的市場， 在矽片價格下跌時，仍能連續 6 個季度保持毛利率攀升，2015 年至 2018 年，隆基營收年複合增速達到 55%，淨利潤年複合增速達到 70%。

協鑫緊隨其後完成了金剛線切割技改並推出鑄錠單晶矽片，但仍未能逆轉局勢。隆基憑藉良好的現金流順勢擴大產能，2019 年隆基矽片產能超越協鑫，成為全球矽片龍頭。

二、PERC 電池的提效降本之路

（一）從 PERC 電池的應用看新技術的導入

以前太陽能電池效率大都通過改進電池正面獲得，因此當正面帶來的效率提升越來越難，研發人員將目光轉向了電池背面的鈍化。由於切割矽片會在其表面產生大量懸空鍵，引起載流子在 此大量複合從而影響電池效率，鈍化就是通過降低表面載流子的複合，來提升電池的效率。

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