光伏行業(yè)深度報告：回顧光伏行業(yè)變革 展望未來高效之路

:一、回顧光伏電池行業(yè)

（一）光伏電池的基本原理

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

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

由于半導(dǎo)體內(nèi)載流子濃度的差異，在 PN 結(jié)會形成一個由 N 指向 P 的內(nèi)電場。當太陽光照 射在半導(dǎo)體表面， PN 結(jié)附近的電子吸收能量變?yōu)橐苿拥淖杂呻娮?，同時在原來的位置形成空穴。自由電子受到內(nèi)電場的作用會向 N 區(qū)漂移，同時對應(yīng)空穴向 P 區(qū)漂移。當連接電池正負極形成 閉合回路時，自由電子受到內(nèi)電場的力從 N 區(qū)經(jīng)過導(dǎo)線向 P 區(qū)移動，在外電路產(chǎn)生電流。

根據(jù)半導(dǎo)體材料的不同，可以將太陽能電池分為晶硅太陽能電池和薄膜太陽能電池。晶硅電池是研究最早、最先進入應(yīng)用的第一代太陽能電池技術(shù)，按照材料的形態(tài)可分為單晶硅電池和多 晶硅電池，其中單晶硅電池根據(jù)基體硅片摻雜不同又分為 P 型電池和 N 型電池。目前應(yīng)用最為 廣泛的單晶 PERC 電池即為 P 型單晶硅電池，而 TOPCon、異質(zhì)結(jié)、IBC 等新型太陽能電池技 術(shù)主要是指 N 型單晶硅電池。

（二）從太空到地面，光伏行業(yè)增長了 1500 倍

1839年法國科學(xué)家E.Becquerel發(fā)現(xiàn)液體的光生伏特效應(yīng)算起，太陽能電池已經(jīng)經(jīng)過了180 多年的漫長的發(fā)展歷史。1877 年 W.G.Adams 和 R.E.Day 研究了硒(Se)的光伏效應(yīng)，并制作第 一片硒太陽能電池。

我國1958年正式開始研發(fā)太陽能電池，最初研發(fā)出的光伏電池主要用于空間領(lǐng)域。1975 年-1976 年寧波、開封先后成立太陽電池廠，電池制造工藝模仿早期生產(chǎn)空間電池的工藝，太陽 能電池的應(yīng)用開始從空間降落到地面，但由于產(chǎn)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(yè)發(fā)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(xiàn)光伏產(chǎn)業(yè)鏈的配套公司，地面光伏市場才真正開始逐步發(fā)展起來。2002 年我國無錫尚德第一 條10MW多晶硅電池產(chǎn)線宣布投產(chǎn)，我國光伏產(chǎn)業(yè)全面國產(chǎn)化進程正式開啟。

2003 年到 2005 年，在歐洲特別是德國市場持續(xù)拉動下，尚德和保定英利持續(xù)擴產(chǎn)，其他 多家企業(yè)紛紛建立太陽電池生產(chǎn)線，使我國太陽電池的生產(chǎn)量迅速增長到達 MW 級別。2007 年 我國光伏新增裝機約 20MW，之后十多年我國通過補貼等多種政策的扶持，到 2019 年我國光伏 新增并網(wǎng)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(shù)更成熟的晶硅電池為主，2008 年前后由于晶硅電池上游 多晶硅料出現(xiàn)緊缺，導(dǎo)致晶硅電池成本高企，薄膜電池作為第二代電池受到市場關(guān)注，市場份額 一度出現(xiàn)回暖。但隨著 2008 年-2009 年和 2010 年-2011 年兩輪多晶硅料價格的斷崖式下跌，晶 硅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。

多晶硅價格暴跌后，多晶硅片經(jīng)濟性曾一度領(lǐng)先單晶。但從 2015 年-2016 年開始，以隆基 為首的單晶廠商實現(xiàn)技術(shù)突破，大幅降低了單晶硅片單片成本。由于單晶硅電池具備更高的轉(zhuǎn)化 效率，導(dǎo)致單晶硅片對應(yīng)的單瓦成本實現(xiàn)反超，比多晶更低，后又出現(xiàn)以 PERC 電池為代表的 高效單晶硅電池，進一步推動了單晶硅對多晶硅的替代，單晶硅電池市場份額自 2016 年起開始持續(xù)攀升。

（三）兩輪多晶硅料的價格暴跌，奠定晶硅電池發(fā)展基礎(chǔ)

2004 年之前，絕大部分多晶硅產(chǎn)量用于半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，太陽能級多晶硅需求僅用電子級硅的 邊角料即可滿足，因此，多晶硅產(chǎn)能主要受半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)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(yīng)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(yīng)用 市場的帶動下，太陽能級硅的需求呈現(xiàn)較快速度增長。據(jù)賽迪顧問數(shù)據(jù)，2004 年全球光伏電池產(chǎn)量達 1195MW，到 2009年全球光伏電池產(chǎn)量增長到 10400MW，增長近 9 倍，我國光伏電池產(chǎn)量2009年達3460MW，較 2005 年增長近 25 倍。

早期硅料產(chǎn)業(yè)被海外 7 家廠商壟斷：

雖然光伏市場呈現(xiàn)了跨越式增長，但由于原料多晶硅制 作技術(shù)難度大，工藝復(fù)雜，且核心技術(shù)集中在 Hemlock(美國)、Wacker(德國)、Tokuyama(日本)、 REC(挪威)、MEMC(美國、意大利)、Mitsubishi(日本、美國)和 Sumitomo(日本)七家廠商手中。

即使廠家產(chǎn)量擴增，但一般多晶硅的生產(chǎn)線建設(shè)期在 2 年左右，經(jīng)過后期的不斷調(diào)試，完全 達產(chǎn)則需要 3-5 年時間。因此全球原料多晶硅市場一直由傳統(tǒng) 7 大廠商壟斷，其市場份額約占市 場總額的 70%以上。

2005 年-2008 年硅料出現(xiàn)價格暴漲，光伏薄膜電池實現(xiàn)高增長：2005 年硅料價格約 100 美 元/kg，2006 年第四季度多晶硅突破 300 美元/kg 后，2007 年底升至 400 美元/kg，2008 年 9 月，多晶硅價格最高時接近 500 美元/kg。在硅料價格暴漲的同時，光伏薄膜電池性價比逐漸凸 顯，市占率從 2005 年的 6.5%爬升至 2009 年的 19.5%。

自主研發(fā)硅料逐步投產(chǎn)，2008 年-2010 年硅料價格迎來第一輪暴跌：在全球多晶硅供應(yīng)不 足，價格持續(xù)上漲情況下，中國掀起多晶硅投資熱潮。以洛陽中硅高科為首，自主研發(fā)的多晶硅技術(shù)成功實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化后，多晶硅已成為全國的投資熱點。國內(nèi)多晶硅規(guī)模迅速擴大，促使國外多晶硅生產(chǎn)的單項技術(shù)和設(shè)備也開始優(yōu)惠進入中國，技術(shù)和裝備水平不斷提高，多晶硅產(chǎn)量迅速擴 大，2006 年中國多晶硅產(chǎn)量僅 387 噸，2007 年達到 1130 噸，2008 年達到 4210 噸，2009 年 中國多晶硅產(chǎn)量達到 20000 噸。

截至 2008 年，全國共有 16 個省市自治區(qū)布局投資了 33 個多晶硅建設(shè)項目，而 2008 年多 晶硅實際產(chǎn)量只有 4000 多噸。截至 2009 年底，中國已建成原料多晶硅產(chǎn)能接近 5 萬噸，大大 小小的項目以及規(guī)劃項目不下 40 個，江西、四川、江蘇等省已經(jīng)成為國內(nèi)多晶硅項目的主要分 布地區(qū)。

由于光伏產(chǎn)業(yè)的過度投資，導(dǎo)致多晶硅價格呈現(xiàn)“過山車式”的波動。到 2008 年末多晶硅 價格已經(jīng)跌至每公斤 150 美元左右。2009 年 3 月，多晶硅價格最低時到過每公斤 50 美元，跌 幅近 90%。

國內(nèi)有實力的產(chǎn)商擴產(chǎn)，2010 年-2012 年多晶硅料第二輪暴跌：2010 年國家《多晶硅行業(yè) 準入條件》的出臺，進一步提高了行業(yè)進入門檻，多晶硅行業(yè)在國內(nèi)又呈現(xiàn)出幾個大企業(yè)壟斷的 局面，保利協(xié)鑫、江西賽維 LDK 和洛陽中硅產(chǎn)能位列全國前三。

且業(yè)內(nèi)仍有具有一定影響力、資金雄厚的多晶硅企業(yè)仍在不斷投資。受海外新增裝機增速下 滑影響，在 2011 年末，多晶硅料再次出現(xiàn)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%。

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

單晶硅電池效率持續(xù)攀升，BOS 成本優(yōu)勢也逐漸顯現(xiàn)：隨著組件成本的快速下降，提升電 池組件轉(zhuǎn)換效率攤薄 BOS（除組件外系統(tǒng)成本）成本顯得越來越重要。2015 年光伏領(lǐng)跑者計劃 啟動，推動了高效率電池發(fā)展，之后三年內(nèi)單晶 PERC 電池占比迅速提升。到 2019 年，單晶電 池市占率達到 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硅片成本，奠定單晶電池發(fā)展基礎(chǔ)

2010 年至今，受益于各種降本增效技術(shù)的應(yīng)用，光伏作為曾經(jīng)昂貴的清潔能源現(xiàn)在正變得 越來越廉價，目前全球大部分地區(qū)已經(jīng)實現(xiàn)平價上網(wǎng)，部分地區(qū)光伏度電成本甚至低于化石燃料 度電成本。如果以 2015 年作為單多晶技術(shù)變革的分水嶺，2011 年-2015 年全球光伏新增裝機年 復(fù)合增速為 15%，2015 年-2019 年全球新增裝機復(fù)合增速達到 23%。

回顧單晶硅對多晶硅的替代，核心在于金剛線的切割技術(shù)的普及，大幅降低了單晶硅片成本。金剛線當時主要是替代砂漿切割技術(shù)。

金剛線技術(shù)增切速、降線耗：傳統(tǒng)的砂漿鋼線切割切速僅有 0.4 mm/分鐘。金剛線切割可采 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(shù) 的發(fā)展，單片硅片耗線量也在成倍下降，由原先的 3 米/片已經(jīng)降到現(xiàn)在的 1.5 米/片。切割成本 的下降使金剛線技術(shù)快速普及。

細線化、薄片化提高硅片產(chǎn)量：金剛線基本以每年 10-20um 的速度在細線化，當時國內(nèi)先 進企業(yè)已實現(xiàn)母線80um金剛線切片量產(chǎn)，日本當時已有廠家開始小范圍使用母線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(chǎn)能，為單多晶硅片成本逆轉(zhuǎn)提供有力支撐。

當切割硅片的方法由砂漿切割轉(zhuǎn)變?yōu)榻饎偩€切割時，按當時的 120元/kg的硅料的成本計算， 每一片，硅料的成本就可以每片降低 0.59 元?？紤]到金剛線線徑逐年變細，切割速度增快，產(chǎn) 能大幅增加，產(chǎn)品的折舊成本也會有所減小。據(jù)測算，當硅片厚度由 180 μm 下降至 160 μm， 硅片生產(chǎn)的折舊成本將下降 0.26 元/片。

在隆基股份的單晶硅片出來之前，保利協(xié)鑫是當之無愧晶硅龍頭。2015 年底協(xié)鑫多晶硅和 多晶硅片產(chǎn)能分別達到 7 萬噸和 14GW，市占率分別高達 30%和 40%，均列全球第一。對比兩家公司的發(fā)展，可以明顯發(fā)現(xiàn)自 2015 年金剛線切割開始普及，明顯提升了單晶硅片的成本下降 速度，按當時的電池片效率估算硅片的單瓦成本，2016 年單晶對多晶實現(xiàn)了成本優(yōu)勢的反超。

隆基得益于領(lǐng)先的成本優(yōu)勢，借助高效 PERC 單晶電池的載體和領(lǐng)跑者計劃培養(yǎng)的市場， 在硅片價格下跌時，仍能連續(xù) 6 個季度保持毛利率攀升，2015 年至 2018 年，隆基營收年復(fù)合增速達到 55%，凈利潤年復(fù)合增速達到 70%。

協(xié)鑫緊隨其后完成了金剛線切割技改并推出鑄錠單晶硅片，但仍未能逆轉(zhuǎn)局勢。隆基憑借良好的現(xiàn)金流順勢擴大產(chǎn)能，2019 年隆基硅片產(chǎn)能超越協(xié)鑫，成為全球硅片龍頭。

二、PERC 電池的提效降本之路

（一）從 PERC 電池的應(yīng)用看新技術(shù)的導(dǎo)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(fā)人員將目光轉(zhuǎn)向了電池背面的鈍化。由于切割硅片會在其表面產(chǎn)生大量懸空鍵，引起載流子在 此大量復(fù)合從而影響電池效率，鈍化就是通過降低表面載流子的復(fù)合，來提升電池的效率。