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光伏行业深度报告:回顾光伏行业变革 展望未来高效之路

光伏电池组件  来源:华金证券    2020/4/7 8:43:39  我要投稿  

北极星太阳能光伏网讯: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。

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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。

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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。

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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。

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(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。

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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。

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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。

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(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%。

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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。

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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。

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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%。

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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。

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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。

投稿联系:陈女士 13693626116   QQ: 1831213786
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