光伏行业深度报告：回顾光伏行业变革 展望未来高效之路

:一、回顾光伏电池行业

（一）光伏电池的基本原理

光伏发电的基本原理是利用半导体的光生伏特效应（Photovoltaic Effect，PV），在太阳能电 池内部 PN 结上形成电位差，从而将太阳能转换为电能，因此光伏电池是决定光伏发电效率的核 心器件。

光伏电池中的最核心部分是 PN 结，作为光伏电池的基本结构单元，在 P 型（掺硼）半导体 和 N 型（掺磷）半导体的交界面形成。P 型半导体掺杂元素为硼，空穴作为多数载流子（多子） 主要参与导电，电子是少数载流子（少子）；N 型半导体掺杂元素为磷，电子作为多子主要参与 导电，空穴是少子。

由于半导体内载流子浓度的差异，在 PN 结会形成一个由 N 指向 P 的内电场。当太阳光照 射在半导体表面， PN 结附近的电子吸收能量变为移动的自由电子，同时在原来的位置形成空穴。自由电子受到内电场的作用会向 N 区漂移，同时对应空穴向 P 区漂移。当连接电池正负极形成 闭合回路时，自由电子受到内电场的力从 N 区经过导线向 P 区移动，在外电路产生电流。

根据半导体材料的不同，可以将太阳能电池分为晶硅太阳能电池和薄膜太阳能电池。晶硅电池是研究最早、最先进入应用的第一代太阳能电池技术，按照材料的形态可分为单晶硅电池和多 晶硅电池，其中单晶硅电池根据基体硅片掺杂不同又分为 P 型电池和 N 型电池。目前应用最为 广泛的单晶 PERC 电池即为 P 型单晶硅电池，而 TOPCon、异质结、IBC 等新型太阳能电池技 术主要是指 N 型单晶硅电池。

（二）从太空到地面，光伏行业增长了 1500 倍

1839年法国科学家E.Becquerel发现液体的光生伏特效应算起，太阳能电池已经经过了180 多年的漫长的发展历史。1877 年 W.G.Adams 和 R.E.Day 研究了硒(Se)的光伏效应，并制作第 一片硒太阳能电池。

我国1958年正式开始研发太阳能电池，最初研发出的光伏电池主要用于空间领域。1975 年-1976 年宁波、开封先后成立太阳电池厂，电池制造工艺模仿早期生产空间电池的工艺，太阳 能电池的应用开始从空间降落到地面，但由于产品价格贵地面光伏市场小，20 世纪 70 年代至 20 世纪 90 年代，行业发展几乎停滞。

直到 2000 年德国颁布《可再生能源法》带动欧洲地面光伏市场兴起，进而带动我国开始出 现光伏产业链的配套公司，地面光伏市场才真正开始逐步发展起来。2002 年我国无锡尚德第一 条10MW多晶硅电池产线宣布投产，我国光伏产业全面国产化进程正式开启。

2003 年到 2005 年，在欧洲特别是德国市场持续拉动下，尚德和保定英利持续扩产，其他 多家企业纷纷建立太阳电池生产线，使我国太阳电池的生产量迅速增长到达 MW 级别。2007 年 我国光伏新增装机约 20MW，之后十多年我国通过补贴等多种政策的扶持，到 2019 年我国光伏 新增并网达 30.1GW，较 2007 年增长超 1500 倍。

近二十年光伏电池市场主要以技术更成熟的晶硅电池为主，2008 年前后由于晶硅电池上游 多晶硅料出现紧缺，导致晶硅电池成本高企，薄膜电池作为第二代电池受到市场关注，市场份额 一度出现回暖。但随着 2008 年-2009 年和 2010 年-2011 年两轮多晶硅料价格的断崖式下跌，晶 硅电池成本得以大幅下降，度电成本大幅降低，成为目前光伏电站市场的绝对主流。而薄膜电池 仅保存了特定市场的极小份额。

多晶硅价格暴跌后，多晶硅片经济性曾一度领先单晶。但从 2015 年-2016 年开始，以隆基 为首的单晶厂商实现技术突破，大幅降低了单晶硅片单片成本。由于单晶硅电池具备更高的转化 效率，导致单晶硅片对应的单瓦成本实现反超，比多晶更低，后又出现以 PERC 电池为代表的 高效单晶硅电池，进一步推动了单晶硅对多晶硅的替代，单晶硅电池市场份额自 2016 年起开始持续攀升。

（三）两轮多晶硅料的价格暴跌，奠定晶硅电池发展基础

2004 年之前，绝大部分多晶硅产量用于半导体产业，太阳能级多晶硅需求仅用电子级硅的 边角料即可满足，因此，多晶硅产能主要受半导体产业影响。2003 年德国光伏补贴政策出台， 带动了德国太阳能光伏应用市场，从 2004 年起在以欧洲、日本、美国为代表的太阳能光伏应用 市场的带动下，太阳能级硅的需求呈现较快速度增长。据赛迪顾问数据，2004 年全球光伏电池产量达 1195MW，到 2009年全球光伏电池产量增长到 10400MW，增长近 9 倍，我国光伏电池产量2009年达3460MW，较 2005 年增长近 25 倍。

早期硅料产业被海外 7 家厂商垄断：

虽然光伏市场呈现了跨越式增长，但由于原料多晶硅制 作技术难度大，工艺复杂，且核心技术集中在 Hemlock(美国)、Wacker(德国)、Tokuyama(日本)、 REC(挪威)、MEMC(美国、意大利)、Mitsubishi(日本、美国)和 Sumitomo(日本)七家厂商手中。

即使厂家产量扩增，但一般多晶硅的生产线建设期在 2 年左右，经过后期的不断调试，完全 达产则需要 3-5 年时间。因此全球原料多晶硅市场一直由传统 7 大厂商垄断，其市场份额约占市 场总额的 70%以上。

2005 年-2008 年硅料出现价格暴涨，光伏薄膜电池实现高增长：2005 年硅料价格约 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，多晶硅价格最高时接近 500 美元/kg。在硅料价格暴涨的同时，光伏薄膜电池性价比逐渐凸 显，市占率从 2005 年的 6.5%爬升至 2009 年的 19.5%。

自主研发硅料逐步投产，2008 年-2010 年硅料价格迎来第一轮暴跌：在全球多晶硅供应不 足，价格持续上涨情况下，中国掀起多晶硅投资热潮。以洛阳中硅高科为首，自主研发的多晶硅技术成功实现产业化后，多晶硅已成为全国的投资热点。国内多晶硅规模迅速扩大，促使国外多晶硅生产的单项技术和设备也开始优惠进入中国，技术和装备水平不断提高，多晶硅产量迅速扩 大，2006 年中国多晶硅产量仅 387 吨，2007 年达到 1130 吨，2008 年达到 4210 吨，2009 年 中国多晶硅产量达到 20000 吨。

截至 2008 年，全国共有 16 个省市自治区布局投资了 33 个多晶硅建设项目，而 2008 年多 晶硅实际产量只有 4000 多吨。截至 2009 年底，中国已建成原料多晶硅产能接近 5 万吨，大大 小小的项目以及规划项目不下 40 个，江西、四川、江苏等省已经成为国内多晶硅项目的主要分 布地区。

由于光伏产业的过度投资，导致多晶硅价格呈现“过山车式”的波动。到 2008 年末多晶硅 价格已经跌至每公斤 150 美元左右。2009 年 3 月，多晶硅价格最低时到过每公斤 50 美元，跌 幅近 90%。

国内有实力的产商扩产，2010 年-2012 年多晶硅料第二轮暴跌：2010 年国家《多晶硅行业 准入条件》的出台，进一步提高了行业进入门槛，多晶硅行业在国内又呈现出几个大企业垄断的 局面，保利协鑫、江西赛维 LDK 和洛阳中硅产能位列全国前三。

且业内仍有具有一定影响力、资金雄厚的多晶硅企业仍在不断投资。受海外新增装机增速下 滑影响，在 2011 年末，多晶硅料再次出现断崖式下跌，从 2010 年 9 月的近 700 元/kg 下跌到 2012 年的约 100 元/kg，跌幅超 85%。

随硅料成本的大幅下行，晶硅电池组件成本大幅下降，成为太阳能电池中的绝对主流：晶硅电池相对于薄膜电池起步更早、效率更高。随两轮多晶硅价格的大幅下行，多晶电池片成本快 速下降，更便宜的多晶硅电池组件，大幅降低了度电成本，成为目前光伏市场绝对主流。

单晶硅电池效率持续攀升，BOS 成本优势也逐渐显现：随着组件成本的快速下降，提升电 池组件转换效率摊薄 BOS（除组件外系统成本）成本显得越来越重要。2015 年光伏领跑者计划 启动，推动了高效率电池发展，之后三年内单晶 PERC 电池占比迅速提升。到 2019 年，单晶电 池市占率达到 65%，二十年来首次超过多晶电池。

（四）金刚线切割大幅降低单晶硅片成本，奠定单晶电池发展基础

2010 年至今，受益于各种降本增效技术的应用，光伏作为曾经昂贵的清洁能源现在正变得 越来越廉价，目前全球大部分地区已经实现平价上网，部分地区光伏度电成本甚至低于化石燃料 度电成本。如果以 2015 年作为单多晶技术变革的分水岭，2011 年-2015 年全球光伏新增装机年 复合增速为 15%，2015 年-2019 年全球新增装机复合增速达到 23%。

回顾单晶硅对多晶硅的替代，核心在于金刚线的切割技术的普及，大幅降低了单晶硅片成本。金刚线当时主要是替代砂浆切割技术。

金刚线技术增切速、降线耗：传统的砂浆钢线切割切速仅有 0.4 mm/分钟。金刚线切割可采 用 1.0~1.2 mm/分钟以上的大切速，切割效率大幅度提升 2-3 倍以上。同时，随金刚线切片技术 的发展，单片硅片耗线量也在成倍下降，由原先的 3 米/片已经降到现在的 1.5 米/片。切割成本 的下降使金刚线技术快速普及。

细线化、薄片化提高硅片产量：金刚线基本以每年 10-20um 的速度在细线化，当时国内先 进企业已实现母线80um金刚线切片量产，日本当时已有厂家开始小范围使用母线70um金刚线。薄片化可大幅提高每公斤单晶出片率、提升切片产能，为单多晶硅片成本逆转提供有力支撑。

当切割硅片的方法由砂浆切割转变为金刚线切割时，按当时的 120元/kg的硅料的成本计算， 每一片，硅料的成本就可以每片降低 0.59 元。考虑到金刚线线径逐年变细，切割速度增快，产 能大幅增加，产品的折旧成本也会有所减小。据测算，当硅片厚度由 180 μm 下降至 160 μm， 硅片生产的折旧成本将下降 0.26 元/片。

在隆基股份的单晶硅片出来之前，保利协鑫是当之无愧晶硅龙头。2015 年底协鑫多晶硅和 多晶硅片产能分别达到 7 万吨和 14GW，市占率分别高达 30%和 40%，均列全球第一。对比两家公司的发展，可以明显发现自 2015 年金刚线切割开始普及，明显提升了单晶硅片的成本下降 速度，按当时的电池片效率估算硅片的单瓦成本，2016 年单晶对多晶实现了成本优势的反超。

隆基得益于领先的成本优势，借助高效 PERC 单晶电池的载体和领跑者计划培养的市场， 在硅片价格下跌时，仍能连续 6 个季度保持毛利率攀升，2015 年至 2018 年，隆基营收年复合增速达到 55%，净利润年复合增速达到 70%。

协鑫紧随其后完成了金刚线切割技改并推出铸锭单晶硅片，但仍未能逆转局势。隆基凭借良好的现金流顺势扩大产能，2019 年隆基硅片产能超越协鑫，成为全球硅片龙头。

二、PERC 电池的提效降本之路

（一）从 PERC 电池的应用看新技术的导入

以前太阳能电池效率大都通过改进电池正面获得，因此当正面带来的效率提升越来越难，研发人员将目光转向了电池背面的钝化。由于切割硅片会在其表面产生大量悬空键，引起载流子在 此大量复合从而影响电池效率，钝化就是通过降低表面载流子的复合，来提升电池的效率。