光伏產業戰略研究

□ 鄭建華

上海電氣集團股份有限公司 上海200233

1 光伏產業概述

人類文明的發展史，也是一部能源利用史，能源問題一直以來都是困擾人類發展的重要瓶頸之一。隨著不可再生能源不斷耗竭，環保問題日益嚴峻，可再生能源的開發和利用日益成為重要的全球議題。光伏發電作為太陽能利用的重要方式，已成為近年來全球大規模應用的主要可再生能源。伴隨著中國能源結構的不斷優化，以光伏為代表的可再生能源將在中國能源消費結構中占據更加重要的地位。

1.1 工作原理

光伏是光生伏特效應的簡稱，是太陽能光伏發電系統的基本科學原理，指當物體受到光照時，物體內的電荷分布狀態發生變化而產生電動勢和電流的一種效應。如圖1所示，以主流晶硅類光伏電池為例，光伏基本原理如下：常溫下，N型硅容易逸出多余的自由電子向P型硅擴散，P型硅容易逸出多余的自由空穴向N型硅擴散，使得在兩者交界處（PN結）形成內建電場，即N型硅側留下帶正電的離子實，P型硅側留下帶負電的離子實；而在太陽光照射下，硅片激發出自由電子和自由空穴，當其擴散至PN結附近時，受到內建電場的作用，自由電子會向帶正電的N型硅中漂移，自由空穴則會向帶負電的P型硅中漂移，最終使N型硅和P型硅之間對外形成一定的電勢差，從而具備直接對外輸出電流的功能。

▲圖1 晶硅類光伏電池工作原理

1.2 優劣分析

光伏發電相較水、風、核、火等其它發電方式，在儲量、投資飽和度、建設地要求、建筑面積、環境友好度、安全性方面都具備較為明顯的優勢。

光伏發電的主要優勢如下。

（1）太陽能儲量大、分布廣。每年到達地球表面的太陽輻射能約為130萬億t標準煤，其中約10萬億t可供人類開發利用，那么只需利用其中的0.2%，便可供給目前全球1年的能源消耗。同時，太陽能資源由全人類共有，遍布地球每個區域，是相比于其它能源最具開發潛力，但已開發比例卻最低的能源類型。

（2）光伏能源無需轉換，可直接應用。嚴格意義上說，生物質能、水能和風能本質上都是太陽能通過二次或多次轉換而來。鑒于光伏轉換直接通過太陽輻射將太陽能轉換為電能，未來伴隨光伏電池轉換效率的提升，這種直接轉換方式能夠省去挖掘、運輸等一系列高額成本，使優勢更加明顯。

（3）光伏發電對地理要求相對寬松，建設規模靈活，建設周期短。分布式發電甚至可以在較短時間內直接在廠房屋頂建成，就地消納，省去了電網傳輸的過程。

（4）光伏能源低碳環保，污染較小。光伏太陽能在能量轉換過程中無廢渣、廢料、廢水、廢氣排出，也無噪聲產生，并且有助于顯著降低碳排放。

光伏發電的主要劣勢如下。

（1）受制于氣候條件（光照等）、技術水平（轉換效率等）的影響，光伏發電功率密度相對較小，且不穩定。

（2）單位電量成本相較其它發電模式目前仍較高。

（3）光伏發電相較其它發電模式起步較晚，大規模應用時間不長，行業技術基礎仍在逐步提升完善中，且極易受到政策的擾動。

1.3 發展歷程

自1839年人類首次發現光伏效應以來，光伏行業經歷了160多年的技術積累和沉淀，總共經歷了三個發展階段。

（1）第一階段，1839～2004年，光伏產業進入起步期。1839年，法國物理學家Becqueral首次發現光伏效應，即在光照條件下，某些系統的兩端具有電壓，如果用導線將兩端連接起來后，會產生電流輸出。光伏效應隨后實現了一系列基礎理論發展。1954年，貝爾實驗室Chapin、Fuller、Pearson等人開發出效率為6%的單晶硅太陽能電池，自此開啟現代晶硅太陽能電池的時代。

（2）第二階段，2004～2017年，光伏產業進入爆發期。

2004～2012年是光伏產業爆發期的第一期，以德國為首的歐洲是這個時期光伏產業的主要市場。2004年，德國出于自身能源匱乏、能源比例失調、環保訴求高漲及工業技術領先等原因，推出了《可再生能源法》等一系列扶持光伏產業的法律法規，通過光伏補貼拉動當地的新增光伏裝機量迅速增長。2005年，西班牙的補貼政策也快速跟上，攜手德國、西班牙共同發力，引領了3年的甜蜜期。2008年，西班牙受歐債危機沖擊，補貼政策突然大幅退坡，對市場造成沖擊。2009年，意大利迅速接棒推出補貼政策，彌補西班牙的缺口，市場重回快速發展軌道。2011年起，意大利和德國先后觸及政策上限，補貼大幅退坡，歐洲市場的新增光伏裝機占比由最高峰的83%回落至74%，全球市場中德、意、西等歐洲國家的政策驅動告一段落。

2012～2017年是光伏行業爆發期的第二期，中國、美國、日本是這個時期光伏產業的主要市場。2012年開始，中國、美國、日本政府的光伏補貼政策紛紛發力，非歐洲市場的光伏新增裝機占比持續上升。以中美為例，中國光伏政策涵蓋整體規劃、補貼激勵、“領跑者”計劃、光伏扶貧等方面；美國受益于重視清潔能源的民主黨總統奧巴馬執政，先后頒布了包括聯邦財政激勵計劃和各州相關法律法規、標準、約束性指標等配套管理類政策在內的一系列光伏產業扶持政策。從累計、新增裝機規模來看，中國在2013年繼歐洲、美國之后成為全球最大光伏市場。截至2017年底，中國光伏累計裝機規模達到130.25 GW，其中集中式電站100.59 GW，分布式光伏29.66 GW，光伏累計裝機規模約占全球規模的32.40%，連續3年位居全球第一。

2004～2017年全球新增光伏裝機量見表1。

表1 2004～2017年全球新增光伏裝機量GW

（3）第三階段，2018年以后，光伏產業進入成熟期。2018年或是光伏產業告別爆發期、進入成熟期的轉折時點。作為全球最大的光伏市場，中國在2018年出臺了號稱史上最嚴的《關于2018年光伏發電有關事項的通知》（“531新政”），中國光伏市場進入調擋換速期，將直接決定全球增長節奏有所放緩。長期來看，全球光伏發電市場容量將保持穩定增長，全球光伏需求呈現去中心化態勢，印度、中南美、東南亞等新興市場開始規模化發展，未來市場集中度將進一步分散。

2 光伏技術路徑分析

如圖2所示，光伏發電技術路徑主要圍繞效率提升、成本削減、可靠性加強三大方向展開，主要從基礎材料革新和生產工藝優化兩大維度尋求進步空間。一方面，傳統晶硅類光伏電池轉換效率日益接近理論上限，效率提升速度放緩，業內轉向新一代基礎材料以尋求突破理論值瓶頸和避免晶硅劣勢。另一方面，仍占市場主流的晶硅類光伏電池依托生產工藝優化，自我提升轉換效率或降低生產成本。

2.1 基礎材料革新

光伏發電基礎材料升級路徑共經歷了三代，分別是晶硅類光伏電池、薄膜類光伏電池及新型光伏電池。

2.1.1 晶硅類光伏電池

▲圖2 光伏技術進步路徑概覽

晶硅類光伏電池大規模應用較早，現在仍為光伏發電市場的主流。晶硅類光伏電池又分為單晶硅光伏電池、多晶硅光伏電池。由于制備方法不同，相較于單晶硅光伏電池，多晶型產品具有更低價格的優勢，但同時也有更低平均轉換效率的劣勢。相較于多晶硅光伏電池，單晶硅型產品具備能耗更低、提純效果更穩定且高的優勢，但同時有生產效率或產能較低的劣勢。如圖3所示，在平均轉換效率指標上，單晶硅型產品全面領先于多晶硅型產品，2016年以后某些基于單晶硅的新型光伏電池設計更是出現效率躍升。因此，單晶硅光伏電池將以效率優勢逐步替代部分多晶硅光伏電池，但是同時考慮到多晶硅的成本優勢，將來晶硅類光伏電池中單晶硅型產品和多晶硅型產品有望實現共存。

▲圖3 光伏電池平均轉換效率比較

2.1.2 薄膜類光伏電池

薄膜類光伏電池正在以低成本、高靈活性優勢追逐晶硅類電池效率水平，但目前仍處產業化初級階段。目前，技術相對成熟的薄膜類光伏電池主要有非晶體硅（a-Si）電池、碲化鎘（CdTe）電池、砷化鎵（GaAs）電池、銅銦鎵硒（CIGS）電池四類，其中CIGS電池以最高的量產級轉換效率被視為最具應用潛力的高效薄膜類光伏電池。

以CIGS電池為例，薄膜類光伏電池的主要優點如下。

（1）更高的理論轉換效率。在不應用異質結等新型技術的情況下，傳統晶硅類光伏電池的理論轉換效率為23%～25%，遠低于CIGS、GaAs、CdTe等薄膜類光伏電池接近甚至超過30%的理論轉換效率。

（2）節省材料成本。含光吸收層CIGS電池只需2～3 um厚度即可，單位成本僅為晶體硅電池的1/3。

（3）光吸收能力強。CIGS薄膜由其母體銅銦硒（CISe）發展而來，通過調節鎵含量使禁帶寬度在1.02～1.68 eV內連續調整，以得到所需要的吸收層材料。

（4）使用壽命長。CIGS電池無光致衰減效應，長期可靠性好。晶體硅組件首年衰減控制在2.5%～3%以內，以后每年控制在0.7%以內，25年后的衰減接近20%。

（5）應用靈活性高。CIGS適用于柔性襯底，質量更輕，不使用時可折疊放置，因此增加了新的應用可能性。

薄膜類光伏電池以高效、廉價、輕便優勢可適用于消費級產品，但受限于稀有金屬自然儲量的有限性，無法應對全面大量使用的工業市場需求。因此，目前以稀有金屬化合物為主的薄膜類光伏電池更適用于消費級產品，而非工業級市場。

主要薄膜類光伏電池比較見表2。

2.2.3 新型光伏電池

新型光伏電池包括有機化合物電池、染料敏化電池等，目前處于研究或初期測試階段。各大公司或研究機構紛紛進入細分研究領域，致力于尋求效率更高、成本更低、可靠性更強的替代產品。

未來有望出現量子點型電池后的下一代光伏電池，下一代光伏電池與傳統光伏電池相比，理論熱力能轉化效率可以提高到35%，可使用廉價且產量高的卷對卷制程制造，單位面積的制造成本很低，科學家們稱其為第四代光伏電池。

2.2 生產工藝優化

主流的晶硅光伏電池從多晶硅提純、硅片切割、電池制造、組件生產等各環節提升工藝，以實現降低成本、提高效率、增強質量的目的。以下對各環節工藝優化路徑進行分析。

表2 主要薄膜光伏電池比較

2.2.1 多晶硅提純

在這一方面，改良西門子法仍是主流，流化床法占比提升。

流化床法在提純效果、節能減排方面更優，但改良西門子法更具成本優勢，投資成本下行潛力大。另一方面，流化床法技術進展緩慢。

2.2.2 硅片切割

在這一方面，金剛線切割技術推動硅片成本降低，單晶率先應用造成單多晶價差縮小。

相對于傳統砂漿鋼線切割，金剛線切割具有切割速度快、單片損耗低、切割液更環保等優點。在單晶硅切片領域，金剛線切割技術已得到廣泛應用。在多晶硅切片領域，金剛線切割技術仍處于試驗階段。

砂漿鋼線切割原理如圖4所示，金剛線切割原理如圖5所示。

▲圖4 砂漿鋼線切割原理

▲圖5 金剛線切割原理

2.2.3 電池制造

在這一方面，黑硅+鈍化發射極和背面電池、N型電池+新型技術、雙面電池有望成為未來主流。

黑硅工藝主要用于解決金剛線切片的多晶硅片制絨問題，目前采用添加劑直接制絨，成本較低，如果未來黑硅技術成本大幅下降，則可能成為主流的制絨解決方案。

N型電池+新型技術的電池路線取決于硅片性質，常見的有目前主流的P型電池和受限于成本及規模化因素的N型電池。N型電池轉換效率優勢顯著，一直是全球高效晶硅電池研發和產業化的熱點。除此之外，N型雙面電池憑借發電增益高、應用范圍廣、適用于積雪地區、運維便捷等優勢正加速產業化。

2.2.4 組件生產

在這一方面，半片技術、多主柵技術、疊瓦技術實現降本增效。

半片技術和多主柵技術通過減小電池片尺寸，降低串阻損耗來提高組件功率。多主柵技術可以大幅降低銀漿用量，同時提高組件輸出功率。相比較而言，兩者在效率增益上不相上下，但半片技術因對常規產線稍加改進即可實現規模量產，成本門檻更低，見效更快，預計短期內將成為更主流的選擇。

應用多主柵技術后，主柵數量變化如圖6所示。

▲圖6 主柵數量變化

疊片技術將光伏電池以串并聯結構緊密排布，幾乎無需焊帶。疊瓦組件具備輸出功率高、內部損耗低、反向電流效應小等優勢。

3 光伏產業鏈分析

3.1 產業鏈環節

如圖7所示，光伏產業鏈自上而下主要包括上游（原料端的硅料和硅片）、中游（電池端的光伏電池和光伏組件）、下游（應用端的光伏電站）三個主產業鏈，以及輔料、裝備和服務三個子產業鏈。以主流晶硅類光伏電池為例，經上中游生產制造的光伏組件配套以逆變器為主的其它電子元件，即可組成光伏發電系統，與電網相連輸送電力。

光伏產業鏈中主要有硅料、硅片、電池片、組件四大產品，先后成為應用于光伏發電的功能器件。中國已連續11年光伏組件產量為全球第一，連續5年光伏裝機容量為全球第一，以及連續3年累計光伏光伏裝機容量為全球第一。目前，中國已在多項光伏相關產品中占據全球產量壟斷地位，其中，硅料產量占全球的48.5%，硅片產量占全球的86.6%，電池片產量占全球的68.0%，組件產量占全球的74.1%。

3.2 產業鏈市場

從產業鏈的各個環節來看，上游多晶硅、單晶硅、硅錠、硅棒材料端的技術要求較高，整體毛利率相對較高。中游電池與系統零部件企業技術差異大，整體毛利率相對較低。由于不同細分類型的電池組成的光伏材料往往有較大差異，因此很多中游企業也同時參與上游部分光伏材料的制造。下游電站運營開發具有補貼與指標壁壘，整體毛利率相對較高。可見，光伏產業鏈呈現上游原料端供需旺盛、中游電池端競爭激烈、下游應用端利潤最為豐厚的毛利率微笑曲線，如圖8所示。由于近年來光伏技術進步推動的成本下降、效率提升，補貼政策刺激下游需求旺盛，光伏產業鏈各環節主要企業毛利率均呈現不同程度的上升。

▲圖7 光伏產業鏈示意圖

從光伏產業鏈的上游來看，多晶硅全球市場呈現中德韓三足鼎立態勢，中國的保利協鑫、德國的Wacker、韓國的OCI居于全球前三。中國光伏材料環節企業快速集中，隆基股份、中環股份以生產單晶硅片為優勢迅速發展，中來股份、福斯特、蘇州固锝逐漸成為新型光伏材料的重要參與者。除了市場主流的硅晶類企業，以漢能為代表的GaAs、CIGS電池也開始占據一部分市場份額。

從光伏產業鏈的中游來看，電池、組件市場出貨量參與企業眾多，既包括晶科能源、晶澳太陽能、天合光能等電池組件企業，又包括通威、隆基等上游向中游延伸的產業龍頭，并且快速實現了一體化發展。

從光伏產業鏈的下游來看，下游電站的開發與運營參與者包括電站建造與電站運營商，部分電站運營商，如特變電工、中利、海潤、陽光電源等還同時參與電站建造。在電站運營的參與者中，除了傳統電力運營商之外，還包括太陽能、林洋能源、協鑫新能源、江山控股、東旭藍天等企業。此外，下游的逆變器市場集中度較高，中國企業具有絕對優勢。2017年，華為與陽光電源在全球的出貨量占比之總超過40%，華為自2015年以來已經連續3年位居全球第一。

▲圖8 光伏產業鏈毛利率微笑曲線

3.3 典型企業

全球光伏產業龍頭企業如圖9所示。隨著光伏材料、組件、電池技術的不斷提升，光伏產業鏈各個環節的成本呈現下降趨勢。由于光伏產業整體呈現資產重、技術迭代快的特征，技術布局較早、更新迅速的企業才能維持較強的競爭力，整條產業鏈后發優勢明顯。

▲圖9 全球光伏產業鏈龍頭企業

3.3.1 隆基股份

隆基股份成立于2000年，2007年從半導體切入光伏市場，在半導體材料單晶硅領域具有明顯的技術優勢。隆基股份堅持單晶硅的光伏技術領域，2013年收購美國單晶設備廠商Kayex，同時完成對金剛線切割工藝的全面推廣，2014年在生產中全面導入單晶快速生長技術。目前，隆基股份單晶組件量產轉換效率最高已經可達20.6%，鈍化發射極和背面電池技術高效電池片效率達到21.6%，光伏電池片的出貨量在2017年超過晶澳、天合，成為光伏單晶硅技術領域的全產業龍頭企業。

3.3.2 中環股份

中環股份成立于1999年，前身為天津市半導體材料廠，2009年設立內蒙古中環光伏材料有限公司，切入光伏領域。2012年，中環股份CFZ單晶產品對國際市場實現小幅供貨，并率先實現金剛線切片大規模應用。2013年，隨著單晶硅材料產業化一期、二期及二期擴能的投產，中環股份光伏產品產銷量大幅增加。2017年，中環股份單晶硅片產能突破12 GW，成為全球第二大光伏單晶硅片生產商。

3.3.3 保利協鑫

協鑫集團采用了三家上市公司分別覆蓋光伏產業鏈上、中、下游的策略，是我國覆蓋光伏全產業鏈體量最大的公司。其中，保利協鑫能源業務板塊覆蓋行業上游光伏材料，控股下游協鑫新能源，中游業務由集團A股上市公司協鑫集成覆蓋。以保利協鑫能源為核心，覆蓋毛利率最高的光伏材料業務板塊，控股下游協鑫新能源享受光伏電站的穩定收益，歸于新能源板塊。協鑫集團的多晶硅與電池組件出貨量均位列全球第一。

3.3.4 通威股份

通威股份成立于1995年，是全球最大的水產飼料生產企業及主要的畜禽飼料生產企業，2016年通過收購四川永祥股份進入光伏產業，開始從光伏產業鏈的上游向下游光伏發電項目進行延伸，利用本身漁業資源實現光漁一體化發展，成為后發優勢與成本優勢明顯的多晶硅電池龍頭。

4 光伏產業發展趨勢

（1）光伏產業是中國戰略性新興產業，發展潛力仍然巨大。

光伏產業是基于半導體技術和新能源需求而興起的朝陽產業，是未來全球先進產業競爭的制高點，是中國具有國際競爭優勢的戰略性新興產業。根據中國國家發展改革委、國家能源局發布的《能源生產和消費革命戰略》，到2030年，非化石能源發電量占全部比重力爭達到50%。國際能源署在《世界能源展望》中提出，到2040年，零排放可再生能源占比達到60%以上。此外，根據國際可再生能源機構的估算，預計到2020年，光伏項目單位電量成本將低于火電，光伏產業發展前景廣闊。

根據國際能源署的預測，全球光伏發電市場容量將保持穩定增長。到2022年，全球主要國家光伏發電比例將大幅提升，中國將從2017年的1.8%提升到4%，美國從2%增長到3%，印度從1%躍升到5%，日本從4.3%增加到7%。國際能源署預測，到2030年，全球太陽能裝機總量將達到1 721 GW，到2050年將進一步增加到4 670 GW，發展潛力巨大。

（2）“531”新政加速推進光伏產業市場化導向的進程。

中國光伏產業的發展與政策息息相關，中國堅決以補貼為主的政策導向轉至補貼退坡的市場導向，特別是2018年5月，中國國家發展改革委、財政部、國家能源局聯合發布“531新政”，對國內光伏行業產生一定沖擊。2018年，中國國內預計新增裝機量將有所下降，但國外裝機量基本維持不變。“531新政”落地，光伏產品價格將不可避免地下降，但處在行業第一梯隊、生產成本較低的企業會更具競爭優勢，迎來更為有序、健康的發展。“531新政”發布后，行業整體將面臨洗牌，市場加速向優勢企業集中，具備技術和管理優勢的企業會有更為優異的表現。

由于光伏項目整體地面式與分布式的補貼收益不同，地面式光伏電站的收益來自于標桿上網電價，分布式電站可以分為自發自用、余電上網與全額上網兩種模式，分布式光伏項目相比集中式光伏項目更具有發展潛力。因此，“531新政”對中國分布式光伏影響較小，分布式光伏仍具有較大的增量空間。