光伏产业战略研究

□ 郑建华

上海电气集团股份有限公司 上海200233

1 光伏产业概述

人类文明的发展史，也是一部能源利用史，能源问题一直以来都是困扰人类发展的重要瓶颈之一。随着不可再生能源不断耗竭，环保问题日益严峻，可再生能源的开发和利用日益成为重要的全球议题。光伏发电作为太阳能利用的重要方式，已成为近年来全球大规模应用的主要可再生能源。伴随着中国能源结构的不断优化，以光伏为代表的可再生能源将在中国能源消费结构中占据更加重要的地位。

1.1 工作原理

光伏是光生伏特效应的简称，是太阳能光伏发电系统的基本科学原理，指当物体受到光照时，物体内的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流的一种效应。如图1所示，以主流晶硅类光伏电池为例，光伏基本原理如下：常温下，N型硅容易逸出多余的自由电子向P型硅扩散，P型硅容易逸出多余的自由空穴向N型硅扩散，使得在两者交界处（PN结）形成内建电场，即N型硅侧留下带正电的离子实，P型硅侧留下带负电的离子实；而在太阳光照射下，硅片激发出自由电子和自由空穴，当其扩散至PN结附近时，受到内建电场的作用，自由电子会向带正电的N型硅中漂移，自由空穴则会向带负电的P型硅中漂移，最终使N型硅和P型硅之间对外形成一定的电势差，从而具备直接对外输出电流的功能。

▲图1 晶硅类光伏电池工作原理

1.2 优劣分析

光伏发电相较水、风、核、火等其它发电方式，在储量、投资饱和度、建设地要求、建筑面积、环境友好度、安全性方面都具备较为明显的优势。

光伏发电的主要优势如下。

（1）太阳能储量大、分布广。每年到达地球表面的太阳辐射能约为130万亿t标准煤，其中约10万亿t可供人类开发利用，那么只需利用其中的0.2%，便可供给目前全球1年的能源消耗。同时，太阳能资源由全人类共有，遍布地球每个区域，是相比于其它能源最具开发潜力，但已开发比例却最低的能源类型。

（2）光伏能源无需转换，可直接应用。严格意义上说，生物质能、水能和风能本质上都是太阳能通过二次或多次转换而来。鉴于光伏转换直接通过太阳辐射将太阳能转换为电能，未来伴随光伏电池转换效率的提升，这种直接转换方式能够省去挖掘、运输等一系列高额成本，使优势更加明显。

（3）光伏发电对地理要求相对宽松，建设规模灵活，建设周期短。分布式发电甚至可以在较短时间内直接在厂房屋顶建成，就地消纳，省去了电网传输的过程。

（4）光伏能源低碳环保，污染较小。光伏太阳能在能量转换过程中无废渣、废料、废水、废气排出，也无噪声产生，并且有助于显著降低碳排放。

光伏发电的主要劣势如下。

（1）受制于气候条件（光照等）、技术水平（转换效率等）的影响，光伏发电功率密度相对较小，且不稳定。

（2）单位电量成本相较其它发电模式目前仍较高。

（3）光伏发电相较其它发电模式起步较晚，大规模应用时间不长，行业技术基础仍在逐步提升完善中，且极易受到政策的扰动。

1.3 发展历程

自1839年人类首次发现光伏效应以来，光伏行业经历了160多年的技术积累和沉淀，总共经历了三个发展阶段。

（1）第一阶段，1839～2004年，光伏产业进入起步期。1839年，法国物理学家Becqueral首次发现光伏效应，即在光照条件下，某些系统的两端具有电压，如果用导线将两端连接起来后，会产生电流输出。光伏效应随后实现了一系列基础理论发展。1954年，贝尔实验室Chapin、Fuller、Pearson等人开发出效率为6%的单晶硅太阳能电池，自此开启现代晶硅太阳能电池的时代。

（2）第二阶段，2004～2017年，光伏产业进入爆发期。

2004～2012年是光伏产业爆发期的第一期，以德国为首的欧洲是这个时期光伏产业的主要市场。2004年，德国出于自身能源匮乏、能源比例失调、环保诉求高涨及工业技术领先等原因，推出了《可再生能源法》等一系列扶持光伏产业的法律法规，通过光伏补贴拉动当地的新增光伏装机量迅速增长。2005年，西班牙的补贴政策也快速跟上，携手德国、西班牙共同发力，引领了3年的甜蜜期。2008年，西班牙受欧债危机冲击，补贴政策突然大幅退坡，对市场造成冲击。2009年，意大利迅速接棒推出补贴政策，弥补西班牙的缺口，市场重回快速发展轨道。2011年起，意大利和德国先后触及政策上限，补贴大幅退坡，欧洲市场的新增光伏装机占比由最高峰的83%回落至74%，全球市场中德、意、西等欧洲国家的政策驱动告一段落。

2012～2017年是光伏行业爆发期的第二期，中国、美国、日本是这个时期光伏产业的主要市场。2012年开始，中国、美国、日本政府的光伏补贴政策纷纷发力，非欧洲市场的光伏新增装机占比持续上升。以中美为例，中国光伏政策涵盖整体规划、补贴激励、“领跑者”计划、光伏扶贫等方面；美国受益于重视清洁能源的民主党总统奥巴马执政，先后颁布了包括联邦财政激励计划和各州相关法律法规、标准、约束性指标等配套管理类政策在内的一系列光伏产业扶持政策。从累计、新增装机规模来看，中国在2013年继欧洲、美国之后成为全球最大光伏市场。截至2017年底，中国光伏累计装机规模达到130.25 GW，其中集中式电站100.59 GW，分布式光伏29.66 GW，光伏累计装机规模约占全球规模的32.40%，连续3年位居全球第一。

2004～2017年全球新增光伏装机量见表1。

表1 2004～2017年全球新增光伏装机量GW

（3）第三阶段，2018年以后，光伏产业进入成熟期。2018年或是光伏产业告别爆发期、进入成熟期的转折时点。作为全球最大的光伏市场，中国在2018年出台了号称史上最严的《关于2018年光伏发电有关事项的通知》（“531新政”），中国光伏市场进入调挡换速期，将直接决定全球增长节奏有所放缓。长期来看，全球光伏发电市场容量将保持稳定增长，全球光伏需求呈现去中心化态势，印度、中南美、东南亚等新兴市场开始规模化发展，未来市场集中度将进一步分散。

2 光伏技术路径分析

如图2所示，光伏发电技术路径主要围绕效率提升、成本削减、可靠性加强三大方向展开，主要从基础材料革新和生产工艺优化两大维度寻求进步空间。一方面，传统晶硅类光伏电池转换效率日益接近理论上限，效率提升速度放缓，业内转向新一代基础材料以寻求突破理论值瓶颈和避免晶硅劣势。另一方面，仍占市场主流的晶硅类光伏电池依托生产工艺优化，自我提升转换效率或降低生产成本。

2.1 基础材料革新

光伏发电基础材料升级路径共经历了三代，分别是晶硅类光伏电池、薄膜类光伏电池及新型光伏电池。

2.1.1 晶硅类光伏电池

▲图2 光伏技术进步路径概览

晶硅类光伏电池大规模应用较早，现在仍为光伏发电市场的主流。晶硅类光伏电池又分为单晶硅光伏电池、多晶硅光伏电池。由于制备方法不同，相较于单晶硅光伏电池，多晶型产品具有更低价格的优势，但同时也有更低平均转换效率的劣势。相较于多晶硅光伏电池，单晶硅型产品具备能耗更低、提纯效果更稳定且高的优势，但同时有生产效率或产能较低的劣势。如图3所示，在平均转换效率指标上，单晶硅型产品全面领先于多晶硅型产品，2016年以后某些基于单晶硅的新型光伏电池设计更是出现效率跃升。因此，单晶硅光伏电池将以效率优势逐步替代部分多晶硅光伏电池，但是同时考虑到多晶硅的成本优势，将来晶硅类光伏电池中单晶硅型产品和多晶硅型产品有望实现共存。

▲图3 光伏电池平均转换效率比较

2.1.2 薄膜类光伏电池

薄膜类光伏电池正在以低成本、高灵活性优势追逐晶硅类电池效率水平，但目前仍处产业化初级阶段。目前，技术相对成熟的薄膜类光伏电池主要有非晶体硅（a-Si）电池、碲化镉（CdTe）电池、砷化镓（GaAs）电池、铜铟镓硒（CIGS）电池四类，其中CIGS电池以最高的量产级转换效率被视为最具应用潜力的高效薄膜类光伏电池。

以CIGS电池为例，薄膜类光伏电池的主要优点如下。

（1）更高的理论转换效率。在不应用异质结等新型技术的情况下，传统晶硅类光伏电池的理论转换效率为23%～25%，远低于CIGS、GaAs、CdTe等薄膜类光伏电池接近甚至超过30%的理论转换效率。

（2）节省材料成本。含光吸收层CIGS电池只需2～3 um厚度即可，单位成本仅为晶体硅电池的1/3。

（3）光吸收能力强。CIGS薄膜由其母体铜铟硒（CISe）发展而来，通过调节镓含量使禁带宽度在1.02～1.68 eV内连续调整，以得到所需要的吸收层材料。

（4）使用寿命长。CIGS电池无光致衰减效应，长期可靠性好。晶体硅组件首年衰减控制在2.5%～3%以内，以后每年控制在0.7%以内，25年后的衰减接近20%。

（5）应用灵活性高。CIGS适用于柔性衬底，质量更轻，不使用时可折叠放置，因此增加了新的应用可能性。

薄膜类光伏电池以高效、廉价、轻便优势可适用于消费级产品，但受限于稀有金属自然储量的有限性，无法应对全面大量使用的工业市场需求。因此，目前以稀有金属化合物为主的薄膜类光伏电池更适用于消费级产品，而非工业级市场。

主要薄膜类光伏电池比较见表2。

2.2.3 新型光伏电池

新型光伏电池包括有机化合物电池、染料敏化电池等，目前处于研究或初期测试阶段。各大公司或研究机构纷纷进入细分研究领域，致力于寻求效率更高、成本更低、可靠性更强的替代产品。

未来有望出现量子点型电池后的下一代光伏电池，下一代光伏电池与传统光伏电池相比，理论热力能转化效率可以提高到35%，可使用廉价且产量高的卷对卷制程制造，单位面积的制造成本很低，科学家们称其为第四代光伏电池。

2.2 生产工艺优化

主流的晶硅光伏电池从多晶硅提纯、硅片切割、电池制造、组件生产等各环节提升工艺，以实现降低成本、提高效率、增强质量的目的。以下对各环节工艺优化路径进行分析。

表2 主要薄膜光伏电池比较

2.2.1 多晶硅提纯

在这一方面，改良西门子法仍是主流，流化床法占比提升。

流化床法在提纯效果、节能减排方面更优，但改良西门子法更具成本优势，投资成本下行潜力大。另一方面，流化床法技术进展缓慢。

2.2.2 硅片切割

在这一方面，金刚线切割技术推动硅片成本降低，单晶率先应用造成单多晶价差缩小。

相对于传统砂浆钢线切割，金刚线切割具有切割速度快、单片损耗低、切割液更环保等优点。在单晶硅切片领域，金刚线切割技术已得到广泛应用。在多晶硅切片领域，金刚线切割技术仍处于试验阶段。

砂浆钢线切割原理如图4所示，金刚线切割原理如图5所示。

▲图4 砂浆钢线切割原理

▲图5 金刚线切割原理

2.2.3 电池制造

在这一方面，黑硅+钝化发射极和背面电池、N型电池+新型技术、双面电池有望成为未来主流。

黑硅工艺主要用于解决金刚线切片的多晶硅片制绒问题，目前采用添加剂直接制绒，成本较低，如果未来黑硅技术成本大幅下降，则可能成为主流的制绒解决方案。

N型电池+新型技术的电池路线取决于硅片性质，常见的有目前主流的P型电池和受限于成本及规模化因素的N型电池。N型电池转换效率优势显著，一直是全球高效晶硅电池研发和产业化的热点。除此之外，N型双面电池凭借发电增益高、应用范围广、适用于积雪地区、运维便捷等优势正加速产业化。

2.2.4 组件生产

在这一方面，半片技术、多主栅技术、叠瓦技术实现降本增效。

半片技术和多主栅技术通过减小电池片尺寸，降低串阻损耗来提高组件功率。多主栅技术可以大幅降低银浆用量，同时提高组件输出功率。相比较而言，两者在效率增益上不相上下，但半片技术因对常规产线稍加改进即可实现规模量产，成本门槛更低，见效更快，预计短期内将成为更主流的选择。

应用多主栅技术后，主栅数量变化如图6所示。

▲图6 主栅数量变化

叠片技术将光伏电池以串并联结构紧密排布，几乎无需焊带。叠瓦组件具备输出功率高、内部损耗低、反向电流效应小等优势。

3 光伏产业链分析

3.1 产业链环节

如图7所示，光伏产业链自上而下主要包括上游（原料端的硅料和硅片）、中游（电池端的光伏电池和光伏组件）、下游（应用端的光伏电站）三个主产业链，以及辅料、装备和服务三个子产业链。以主流晶硅类光伏电池为例，经上中游生产制造的光伏组件配套以逆变器为主的其它电子元件，即可组成光伏发电系统，与电网相连输送电力。

光伏产业链中主要有硅料、硅片、电池片、组件四大产品，先后成为应用于光伏发电的功能器件。中国已连续11年光伏组件产量为全球第一，连续5年光伏装机容量为全球第一，以及连续3年累计光伏光伏装机容量为全球第一。目前，中国已在多项光伏相关产品中占据全球产量垄断地位，其中，硅料产量占全球的48.5%，硅片产量占全球的86.6%，电池片产量占全球的68.0%，组件产量占全球的74.1%。

3.2 产业链市场

从产业链的各个环节来看，上游多晶硅、单晶硅、硅锭、硅棒材料端的技术要求较高，整体毛利率相对较高。中游电池与系统零部件企业技术差异大，整体毛利率相对较低。由于不同细分类型的电池组成的光伏材料往往有较大差异，因此很多中游企业也同时参与上游部分光伏材料的制造。下游电站运营开发具有补贴与指标壁垒，整体毛利率相对较高。可见，光伏产业链呈现上游原料端供需旺盛、中游电池端竞争激烈、下游应用端利润最为丰厚的毛利率微笑曲线，如图8所示。由于近年来光伏技术进步推动的成本下降、效率提升，补贴政策刺激下游需求旺盛，光伏产业链各环节主要企业毛利率均呈现不同程度的上升。

▲图7 光伏产业链示意图

从光伏产业链的上游来看，多晶硅全球市场呈现中德韩三足鼎立态势，中国的保利协鑫、德国的Wacker、韩国的OCI居于全球前三。中国光伏材料环节企业快速集中，隆基股份、中环股份以生产单晶硅片为优势迅速发展，中来股份、福斯特、苏州固锝逐渐成为新型光伏材料的重要参与者。除了市场主流的硅晶类企业，以汉能为代表的GaAs、CIGS电池也开始占据一部分市场份额。

从光伏产业链的中游来看，电池、组件市场出货量参与企业众多，既包括晶科能源、晶澳太阳能、天合光能等电池组件企业，又包括通威、隆基等上游向中游延伸的产业龙头，并且快速实现了一体化发展。

从光伏产业链的下游来看，下游电站的开发与运营参与者包括电站建造与电站运营商，部分电站运营商，如特变电工、中利、海润、阳光电源等还同时参与电站建造。在电站运营的参与者中，除了传统电力运营商之外，还包括太阳能、林洋能源、协鑫新能源、江山控股、东旭蓝天等企业。此外，下游的逆变器市场集中度较高，中国企业具有绝对优势。2017年，华为与阳光电源在全球的出货量占比之总超过40%，华为自2015年以来已经连续3年位居全球第一。

▲图8 光伏产业链毛利率微笑曲线

3.3 典型企业

全球光伏产业龙头企业如图9所示。随着光伏材料、组件、电池技术的不断提升，光伏产业链各个环节的成本呈现下降趋势。由于光伏产业整体呈现资产重、技术迭代快的特征，技术布局较早、更新迅速的企业才能维持较强的竞争力，整条产业链后发优势明显。

▲图9 全球光伏产业链龙头企业

3.3.1 隆基股份

隆基股份成立于2000年，2007年从半导体切入光伏市场，在半导体材料单晶硅领域具有明显的技术优势。隆基股份坚持单晶硅的光伏技术领域，2013年收购美国单晶设备厂商Kayex，同时完成对金刚线切割工艺的全面推广，2014年在生产中全面导入单晶快速生长技术。目前，隆基股份单晶组件量产转换效率最高已经可达20.6%，钝化发射极和背面电池技术高效电池片效率达到21.6%，光伏电池片的出货量在2017年超过晶澳、天合，成为光伏单晶硅技术领域的全产业龙头企业。

3.3.2 中环股份

中环股份成立于1999年，前身为天津市半导体材料厂，2009年设立内蒙古中环光伏材料有限公司，切入光伏领域。2012年，中环股份CFZ单晶产品对国际市场实现小幅供货，并率先实现金刚线切片大规模应用。2013年，随着单晶硅材料产业化一期、二期及二期扩能的投产，中环股份光伏产品产销量大幅增加。2017年，中环股份单晶硅片产能突破12 GW，成为全球第二大光伏单晶硅片生产商。

3.3.3 保利协鑫

协鑫集团采用了三家上市公司分别覆盖光伏产业链上、中、下游的策略，是我国覆盖光伏全产业链体量最大的公司。其中，保利协鑫能源业务板块覆盖行业上游光伏材料，控股下游协鑫新能源，中游业务由集团A股上市公司协鑫集成覆盖。以保利协鑫能源为核心，覆盖毛利率最高的光伏材料业务板块，控股下游协鑫新能源享受光伏电站的稳定收益，归于新能源板块。协鑫集团的多晶硅与电池组件出货量均位列全球第一。

3.3.4 通威股份

通威股份成立于1995年，是全球最大的水产饲料生产企业及主要的畜禽饲料生产企业，2016年通过收购四川永祥股份进入光伏产业，开始从光伏产业链的上游向下游光伏发电项目进行延伸，利用本身渔业资源实现光渔一体化发展，成为后发优势与成本优势明显的多晶硅电池龙头。

4 光伏产业发展趋势

（1）光伏产业是中国战略性新兴产业，发展潜力仍然巨大。

光伏产业是基于半导体技术和新能源需求而兴起的朝阳产业，是未来全球先进产业竞争的制高点，是中国具有国际竞争优势的战略性新兴产业。根据中国国家发展改革委、国家能源局发布的《能源生产和消费革命战略》，到2030年，非化石能源发电量占全部比重力争达到50%。国际能源署在《世界能源展望》中提出，到2040年，零排放可再生能源占比达到60%以上。此外，根据国际可再生能源机构的估算，预计到2020年，光伏项目单位电量成本将低于火电，光伏产业发展前景广阔。

根据国际能源署的预测，全球光伏发电市场容量将保持稳定增长。到2022年，全球主要国家光伏发电比例将大幅提升，中国将从2017年的1.8%提升到4%，美国从2%增长到3%，印度从1%跃升到5%，日本从4.3%增加到7%。国际能源署预测，到2030年，全球太阳能装机总量将达到1 721 GW，到2050年将进一步增加到4 670 GW，发展潜力巨大。

（2）“531”新政加速推进光伏产业市场化导向的进程。

中国光伏产业的发展与政策息息相关，中国坚决以补贴为主的政策导向转至补贴退坡的市场导向，特别是2018年5月，中国国家发展改革委、财政部、国家能源局联合发布“531新政”，对国内光伏行业产生一定冲击。2018年，中国国内预计新增装机量将有所下降，但国外装机量基本维持不变。“531新政”落地，光伏产品价格将不可避免地下降，但处在行业第一梯队、生产成本较低的企业会更具竞争优势，迎来更为有序、健康的发展。“531新政”发布后，行业整体将面临洗牌，市场加速向优势企业集中，具备技术和管理优势的企业会有更为优异的表现。

由于光伏项目整体地面式与分布式的补贴收益不同，地面式光伏电站的收益来自于标杆上网电价，分布式电站可以分为自发自用、余电上网与全额上网两种模式，分布式光伏项目相比集中式光伏项目更具有发展潜力。因此，“531新政”对中国分布式光伏影响较小，分布式光伏仍具有较大的增量空间。