光伏发电产业链及发展阶段分析
能源yjbzj220132024/10/31
一、光伏发电的基本原理
光生伏特效应（即“光伏效应”）是指当物体受到光照时，因光能被吸收，电子发生跃迁，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。
根据半导体的特性，半导体中有电子和空穴两种电流载体（指可以自由移动的带有电荷的物质微粒，简称“载流子”），其中电子带负电、空穴带正电，半导体材料中某种载流子占大多数，则称它为多子，占小部分的即为少子。硅片最基本的材料是“硅”，纯净的硅不导电，但可以通过在硅中掺杂来改变特性：在硅晶体中掺入硼元素，即可做成P型硅片；掺入磷元素，即可做成N型硅片。因硼元素和磷元素价位特点不同，P型硅片中空穴作为多子主要参与导电，电子是少数载流子（少子）；N型硅片中电子作为多子主要参与导电，空穴是少子，上述P（Positive，正电）和N（Negative，负电）即根据硅片多子的正负电情况进行的命名。PN结（结是指交叉，译自英文“PNjunction”）是光伏电池片的基本结构单元，其通常形成于同一块硅片中P型区域和N型区域的交界处，可以通过向P型硅片表面扩散磷元素或者向N型硅片表面扩散硼元素制得。光伏电池片发电即是利用PN结位置产生的自由电子的电位差来产生电流，当太阳光照射在电池片表面时，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区移动，同时对应空穴向P区移动，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。
图表：光伏电池片内部结构及发电原理的简要示意图
二、影响光伏发电效率的核心要素
光伏发电的本质是将光能转化为电能，因此减少光学损失和电学损失是提升光伏电池片转换效率的两个关键方向。
光学损失产生的主要原因是材料表面的反射及遮挡损失，包括电池片前表面和背表面的反射以及组件玻璃的反射、电池栅线的遮挡等。目前减少光学损失的主要方法包括：①利用化学方法对硅片表面进行腐蚀，形成绒面，增加陷光作用；②制备减反膜降低反射率，例如玻璃减反膜、电池表面的氮化硅减反膜；③优化电池栅线，减少栅线遮挡损失，例如使用多主栅及新型高效的XBC电池技术。目前，制绒、减反膜、多主栅等技术目前应用已较为广泛，发展较为成熟，XBC电池技术正在进入快速发展阶段，XBC电池的PN结和金属接触都处于电池的背面，正面没有金属电极遮挡的影响，同时背面可以容许较宽的金属栅线来降低串联电阻从而提高填充因子。
电学损失产生的主要原因是光伏电池片体内及表面电子和空穴的复合，复合率越低，光电转换效率就越高。电池片表面的表面态（悬挂键、杂质、晶格失配和损伤层等）以及电池片内部存在的杂质，它们都会成为载流子的复合中心。对于解决材料本身的内部缺陷及杂质等引起的问题，单晶硅要优于多晶硅，N型电池要优于P型电池；对于电池表面的复合中心，通过改变光伏电池的结构，如引入钝化膜（主要为Al2O3、SiNx）、隧穿氧化及掺杂多晶硅层等方式，可以有效延长电池片内部少子寿命，减少复合导致的电学损失。随着单晶硅片已基本取代多晶硅片以及以Al2O3、SiNx为代表的钝化膜技术在此前的PERC技术也已经得到普遍应用，在材料方面引入N型硅片衬底及电池片结构方面进一步加强钝化效果（如引入隧穿氧化及掺杂多晶硅层）是目前进一步降低电学损失的成熟有效方式，应用该等改善材料和进行结构改变的包括了TOPCon、XBC及HJT等新型高效光伏电池片技术。
三、光伏发电产业链情况
在全球低碳的产业政策引导和市场需求的双轮驱动下，中国光伏产业实现了快速发展，已经成为中国可参与国际竞争并取得领先优势的战略性新兴产业，也是中国产业经济发展的一张崭新名片和推动我国能源变革的重要引擎。当前中国已经形成了从工业硅、高纯硅材料、硅锭/硅棒/硅片、电池片、组件、逆变器、光伏辅材辅料、光伏生产设备到系统集成和光伏产品应用等全球最完整的产业链，并且在各主要环节均形成了一批世界级的领先企业。中国光伏产业链具备显著的技术水平高、效率高、成本低和上下游配套健全等优势，中国光伏供应链对全球光伏产业发展具有重要的影响力，中国光伏企业持续领导全球产业供应格局。
图表：光伏产业的具体产业链及对应的设备需求情况
四、光伏电池片行业发展阶段
降本增效是推动光伏行业不断发展的内在牵引动力，随着光伏各个产业链的日趋成熟，光伏电池片作为光电转换效率的决定性影响因素，是现阶段光伏产业链最核心的技术变革领域。光伏电池片技术的技术迭代与光伏设备的技术演进以及应用相互推动和成就，共同推动光伏电池片生产的降本增效。
从光伏电池片的技术发展和迭代来看，整体可分为四个阶段：
第一个阶段是2015年以前，光伏电池片市场主要采取多晶Al-BSF技术，单晶PERC电池片处于技术验证阶段，以试验产能为主，增长迅速但总量较小，随着单晶PERC电池片技术逐渐成熟，其商业化的可行性得到确认；
第二阶段是2015-2017年，单晶PERC电池片投资吸引力凸显，国内厂商开始加码PERC电池片生产，但从整个光伏电池片市场发展过程来看，多晶Al-BSF技术此阶段仍占据着市场主要份额；
第三阶段是2018-2021年，PERC电池片产能实现爆发式增长，根据中国光伏行业协会数据，2019年至2021年的新建量产产线以PERC电池片产线为主，PERC电池片在2021年的市场份额超过90%；在这个阶段内，主流电池片厂商以及公司在内的设备厂商开始逐步布局TOPCon、XBC及HJT等新型高效光伏电池片技术，并共同推动产业化落地；
第四阶段是2022年至今，随着PERC电池片转换效率接近理论极限值，以TOPCon、XBC、HJT为代表的转换效率更高的新型高效电池片技术进入产业化进程。从实际落地的情况来看，TOPCon、XBC在突破设备、工艺、材料等瓶颈后，技术日趋成熟并实现成本和性能的平衡，率先完成量产；相较于TOPCon和XBC，目前主流厂商在HJT领域产能布局尚不广泛，HJT电池片投产和量产规模仍较小。
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