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1. 光伏发电原理 太阳能电池工作原理的基础是半导体PN结的光生伏特效应。所谓光生伏特效应就是当物体受到光照时，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。当太阳光或其他光照射半导体的PN结时，就会在PN结的两边出现电压，叫做光生电压。 当光照射到PN结上时，产生电子--空穴对，在半导体内部PN结附近生成的载流子没有被复合而到达空间电荷区，受内部电场的吸引，电子流入N区，空穴流入P区，结果使N区储存了过剩的电子，P区有过剩的空穴。它们在PN结附近形成与势垒方向相反的光生电场。光生电场除了部分抵消势垒电场的作用外，还使P区带正电，N区带负电，在N区和P区之间的薄层就产生电动势，这就是光生伏特效应。 2. 硅太阳能电池 太阳能电池根据所用材料的不同，可分为：硅太阳能电池、多元化合物薄膜太阳能电池、聚合物多层修饰电极型太阳能电池、纳米晶太阳能电池、有机太阳能电池、塑料太阳能电池，其中硅太阳能电池是发展最成熟的，在应用中居主导地位。 按硅片厚度的不同，可分为晶体硅太阳能电池和薄膜硅太阳能电池。按材料的结晶形态，晶体硅太阳能电池有单晶硅（c-Si）和多晶硅（p-Si）太阳能电池两类；薄膜硅太阳能电池分为非晶硅（a-Si）薄膜太阳能电池、微晶硅（c-Si）太阳能电池和多晶硅（p-Si）薄膜太阳能电池三种。当前市场上主要为晶体硅太阳能电池。 光伏产业链包括：上游为硅料的采集，硅片、硅棒、硅锭的生产；中游为光伏电池片和组件的制作；下游光伏电站系统的集成与运营。下面将对光伏市场及上述产业链环节进行分析。 3. 光伏市场 2010-2020年，光伏市场的发展可谓是起起伏伏。欧美双反政策，去补贴以及18年“531新政”等给光伏行业造成巨大冲击。2020年全年，全球新增光伏装机量为130GW，同比增长13%；我国达到48.2GW，比2019年的30.1GW同比增长60%，出现超预期发展。在2021-2025十四五期间，我国年均预计新增光伏装机量为70-90GW，其中2021年装机量在55-65GW之间。 据IEA统计数据显示，2020年全球电力需求下降2%，然而在全球电力供应中，可再生能源发电量提升7%，光伏发电量提升20%。随着全球经济的复苏，预计2021年全球电力需求将增加3%(约700TWh)，可再生能源装机预计比2020年提升10%，而光伏新增装机将占据新能源新增装机半壁江山，约为54%。目前，越来越多的国家和地区采取一定的措施来应对全球气候变化，共同推动疫情后世界经济“绿色复苏”。除中国以外，日本、韩国等许多国家和经济体也陆续提出了各自实现“碳中和”的目标，欧盟成员国同意将2030年温室气体减排目标提高至55%，可持续性的政策支持以及电价不断下降带来的竞争力，使可再生能源的发展上升至空前的战略高度，全球光伏市场增速将加快。 2020年，我国光伏产品出口总额约197.5亿美元，同比下降5%。其中硅片出口额17.7亿美元，出口量约27GW;电池片出口额约9.9亿美元，出口量约9GW，硅片和电池片出口量与去年同期相比略有下降。组件出口额为169.9亿美元，出口量约78.8GW,同比增长18%。随着海外疫情的爆发，对海外光伏市场需求的预期下降,导致二季度光伏产品价格大幅下降,这是光伏产品出口额下降的主要原因。同时，海外工厂产能利用率下降导致硅片、电池片的出口量下降，但全球以光伏为代表的可再生能源市场发展并未受到疫情较大影响，继续拉动组件出口量的上升。 从光伏各个环节来看，产业集中度进一步提升。头部企业凭借自身的技术及成本优势不断扩大规模，而不具备优势的小厂商或落后产能则在疫情的催化下加速退出。多晶硅、硅片、电池片和组件的 CR5 分别提升了 18.2、 15.3、 15.3 和 12.3 个百分点。其中，多晶硅产量 5 万吨级以上企业有 4 家；我国前 5 家硅片企业产量均超过 10GW；电池片产量达 5GW 以上的企业有 9 家；组件产量达 5GW 以上的有 6 家。预计未来产业集中度将进一步提高。 4. 硅料环节 硅，是一种化学元素，化学符号是Si，原子序数14，室温间接带隙为1.1 eV，是极为常见的一种元素，然而它极少以单质的形式在自然界出现，而是以复杂的硅酸盐或二氧化硅的形式，广泛存在于岩石、砂砾、尘土之中。在地壳中，它是第二丰富的元素，构成地壳总质量的26.4%，仅次于第一位的氧（49.4%）。在单晶硅中掺入微量的IIIA族元素，如硼(B)元素，形成P型硅半导体；掺入微量的VA族元素，如磷(P)元素，形成N型半导体。P型半导体和N型半导体结合在一起形成PN结，就可做成太阳能电池。 按照结晶态进行划分，硅可分为单晶硅、多晶硅及非晶硅。单晶硅的结构为金刚石型，所有的硅原子按一定规律排列整齐。多晶硅是由众多小晶粒以不同排列方向组合而成。非晶硅的原子排列遵循短程有序，长程无序的特点。一般冶金级硅(Metallurgical Grade Silicon, MGS)的含硅量为90-95%以上，有的高达99.8%以上；电子级硅(Electronic Grade Silicon，EGS)的纯度在6N(99.9999%)以上，超高纯度为9N-11N；太阳级硅（Solar Grade Silicon，SGS）的纯度则位于上述两者之间，一般认为在4-6N。 多晶硅料为生产单晶硅片及多晶硅片的上游原料，硅料的质量和价格直接影响下游环节的生产。根据中国光伏行业协会数据，我国2020年多晶硅产量为39.2万吨，同比增长14.6%；2020年多晶硅进口量为9.9万吨，占比为20.2%，同比下降30%。十三五期间，我国多晶硅进口比例持续下降。  当前多晶硅的主流生产方法有改良西门子法及流化床法。 1. 目前，改良西门子法(Siemens)是生产多晶硅最为成熟、应用最广泛、扩展速度最快的技术，其产品形态为块状硅。高技术成熟度、高安全性、高产品质量打造改良西门子法核心优势。自1955年开发成功后，西门子法已经经历了超过60年的持续改良，技术成熟度非常高。改良西门子法在安全性上远超硅烷法，短期内其生产成本也低于硅烷法。此外，改良西门子法能够生产9N-11N的高纯度多晶硅，兼容太阳能级和电子级产品生产。 西门子法的生产流程是利用氯气和氢气合成 HCL（或外购无水 HCL）， HCL 和工业硅粉在一定的温度下合成 SiHCL3，之后对 SiHCL3 进行分离精馏提纯，提纯后的SiHCL3 在氢还原炉内进行化学气相沉积反应得到高纯多晶硅。对于还原后的尾气，可以对其进行回收，分离出氢气、SiHCl3和SiCl4，并对SiCl4进行氢化，从而实现循环利用，降低了材料能耗。 2. 流化床法(Fludized Bed Ractor),由于产物形态，也被称为颗粒硅技术，是一种以硅烷为反应原料的化学提纯法，是在改良西门子法工业化生产多晶硅二十多年后开发的新一代生产工艺，主要目的是降低多晶硅的生产能耗和成本。流化床法主要优势为转化率高、能耗低、可连续生产、副产物污染小，但由于安全性较差、炉壁沉积、流态化控制、产品纯度控制等问题尚未实现大规模应用。 流化床法生产多晶硅，是以SiCl4、H2、HCl和工业硅为原料，在高温高压流化床内（沸腾床）生成SiHCl3，将SiHCl3再进一步歧化加氢反应生成SiH2Cl2，继而生成硅烷气。制得的硅烷气通入加有小颗粒硅粉的流化床反应炉内进行连续热分解反应，生成粒状多晶硅产品。由于在流化床反应炉内参与反应的硅表面积大，故该方法生产效率高、电耗低、成本低。  颗粒硅（流化床法）相对于块状硅（改良西门子法）的主要优点：1、质量方面：密度小&流动性好，利于连续直拉单晶（Continuous Czocharlski，CCZ）。目前后端硅片拉棒环节的主要技术为多次复投拉晶（Recharged Czochralski，RCZ），是拉完一根再复投加料拉下一根；而 CCZ可以实现一边加料一边拉晶，能够节约加料时间且单晶的电阻率的一致性非常好。由于颗粒硅密度小且流动性好，因此相比于块状硅更适合 CCZ。目前的主要问题是因为 CCZ 是连续加料，前面残留的锅底料会影响到后面拉的品质，因此对总杂质含量要求很高，目前颗粒硅的纯度还达不到要求。2、成本方面：电耗低、单位投资额少。目前改良西门子法每公斤耗电在60度，颗粒硅仅为20度，因此理论电耗仅为改良西门子法的1/3；此外，由于流程工艺相对更为简单，因此颗粒硅的单位投资额相对更少（采用 6代线后可降至7-7.5亿/万吨），改良西门子法目前为10亿/万吨，因此相应的流化床 法的折旧成本也比较低。二者共同导致颗粒硅的理论生产成本比块状硅要低。 颗粒硅相对于块状硅的主要缺点：1、后端环节：含氢量高导致跳硅，会对拉棒产生一定不利影响。由于流化床法自身的生产工艺原因，颗粒硅中氢含量相比块状硅要高，在后端拉棒环节受热容易生产跳硅，即所谓的氢跳现象，从而对单晶炉热场的使用寿命和拉 棒的稳定性和质量产生不利影响。2、质量方面：含碳量高以及粉尘问题影响产品纯度。由于颗粒硅体积很小，因此在生产过程中会撞击器壁从而损伤生产设备器壁。为解决这一问题，一般设备的内衬多为坚硬的碳基材料（如碳化硅），但在生产过程中硅仍然会撞击器壁从而使得颗粒硅中含碳量较高。此外，颗粒硅表面积较大，导致其容易吸附更多粉尘。两个问题均会影响产品纯度，其中N型料对于纯度的要求更高，目前颗粒硅还满足不了这么高的纯度要求。3、成本方面：目前稳定运行和产品一致性问题仍是制约降本的主要问题。虽然颗粒硅的电耗、单位投资额以及人工成本方面相比块状硅具有优势，但这只是理论情况。实际上，由于颗粒硅撞击器壁的问题，根据目前掌握的信息颗粒硅的生产连续性较差，需要隔几个月就更换新的碳基内衬，造成了较大的成本增加。此外，由于颗粒硅体积很小，目前成品中仍有较多粉状颗粒硅，属于废料，也造成了较大的成本增加。因此，这两个问题是颗粒硅工艺后续能否成功降本的关键。注：2021年3月份，有消息报道称流化床法对西门子法能够实现替代，从而导致以通威股份为代表的采用西门子法的硅料企业股价受到冲击，而对流化床法投入研究的保利协鑫股价上升。短期来看，流化床法对西门子法进行完全替代肯定不现实，需要长期关注流化床法生产多晶硅的进展。 随着生产装备技术的进步、单体规模的提高和工艺水平的提升，西门子法生产多晶硅的产线设备投资成本逐年下降。2020年投产的万吨级多晶硅产线设备投资成本已经降低至1.02亿元/千吨。 全球多晶硅产能根据产能规模和成本，可大致分为三大梯队： 第一梯队：低成本产能，包括东方希望、大全新能源、通威股份、新特能源、新疆协鑫 5 家厂商，2020 年总产能约为35 万吨，有效产能约为 30 万吨左右。 第二梯队：中成本产能，包括徐州协鑫、亚洲硅业、天宏瑞科、马来西亚 OCI和美国瓦克等，有效总产能约为 30 万吨左右。 第三梯队：高成本落后产能，主要包括国内规模较小的产能和海外高成本产能，正陆续停产或退出市场。 5. 硅片环节 硅片的生产主要包括四个环节：长晶、截断切方、切片和测试分选。其中主要环节为长晶和切割。长晶是指在特定环境下，将硅料生长成硅晶体的过程。硅片主要分为单晶硅片和多晶硅片，二者最大的区别也是发生在长晶环节。对于单晶硅片而言，在生长的过程中首先需要多晶硅料通过直拉法或区熔法形成单晶硅棒，其间原子排列有序；对于多晶硅片而言，则先需要多晶硅通过铸锭法形成多晶硅锭，其内部原子结构没有发生变化，仍为无序排列。当前单晶的拉棒成本较多晶的铸锭成本高，而单晶硅片的光电转换效率也相对较高。 单晶硅按照晶体生长方式的不同，可以分为直拉法（Czocharlski，CZ）、区熔法（Float Zone, FZ）和外延法。CZ和FZ生长单晶硅棒材，外延法生长单晶硅薄膜。CZ法生长的单晶硅主要用于半导体集成电路、二极管、外延片衬底、太阳能电池等；FZ法生长的单晶硅主要用于高压大功率可控整流器件领域，广泛用于大功率输变电、电力机车、整流、变频、机电一体化等；外延片主要用于集成电路领域。多晶硅锭的生长方法主要有Bridgman定向凝固法、浇注法和电磁生长技术等。 CZ法生长单晶硅的主要流程包括加料-熔化-引晶-放肩-等径生长-收尾。首先将晶硅原料放入石英坩埚中，单晶炉关闭并抽真空保持在一定的压力范围。然后加热至熔化温度1420℃以上，将晶硅原料融化。功率过大虽然可以缩短融化时间，但是可能造成坩埚壁的损伤；功率过小则耗时太久，导致产能下降。当硅溶液的温度稳定之后，将<100>或<111>方向的籽晶慢慢浸入硅溶液中，由于籽晶和硅溶液之间的热应力，会使得籽晶产生位错，这些位错必须利用引晶生长使之消失。一般的原则是引晶长度约等于一个晶棒直径的长度。引晶之后，须降低拉速和温度，使晶体的直径渐渐放大到所需的大小，此步骤中最重要的参数是直径的放大速率。经过拉晶和放肩之后，通过拉速和温度的不断调整，使晶棒的直径维持在±2mm之间，这段直径固定的部分称之为晶身。在生长完晶深部分之后，如果立刻将晶棒与液面分开，那么热应力将使得晶棒出现位错和滑移线。必须将晶棒的直径慢慢缩小，直到成一个尖点和液面分开，该过程为收尾。
在硅片切割技术方面，金刚石线切割已经成为主流。在 2014 年之前市面上通常采用砂浆切割的方式，其切割方式是游离式的切割模式，靠悬浮液的悬浮碳化硅，通过线网的带动以进行磨削切割。金刚石线起源于日本， 由于日本厂商的金刚石线产品价格较高，且产能相对有限，金刚石线早期主要用于切割蓝宝石等硬脆材料，在国内光伏行业未取得大规模应用。2014-2015 年国内厂商相继实现 80μm 以下用于精密切割的电镀金刚石线领域的技术突破，打破了日本厂商的技术垄断。2015 年，金刚石线实现国产化并规模生产后，产品价格迅速降低， 由 2012 年 1 元/米一路下降至 2019 年 12 月的 0.06 元/米， 以隆基股份为代表的单晶企业 2015 年开始大规模使用金刚石线工艺，在单晶硅片领域，金刚线切割技术已在 2017 年全面取代砂浆切割技术。随着金刚线切割技术的大规模应用，单多晶硅片的成本差距逐渐缩小。金刚石线在光伏晶硅切割中的渗透率快速提升，市场规模迅速扩大。
2020年我国硅片产量为161.3GW，同比增长19.7%。未来硅片环节的技术发展方向主要以“提效降本”为主。其中提效指的是提升光电转换效率，一方面表现为从P型硅片向N型硅片的转换：目前光伏行业仍以 P 型硅片为主，P 型硅片掺硼元素，硼与硅分凝系数相当，分散均匀度容易控制，因此制作工艺简单且成本较低，但最高效率有天花板。而N 型硅片掺磷元素，磷与硅相溶性差，拉棒时磷分布不均，工艺更加复杂。但 N 型硅通常少子寿命较大，电池效率可以做得更高，因此是未来提效的发展方向。另一方面则体现为从多晶硅片向单晶硅片转移：尽管多晶硅片具有能耗低、生产率高、成本低的优点，但由于效率制约以及金刚石线切割等工艺的出现，使得单晶硅片的性价比逐步提升，多晶硅片的市场份额逐渐缩减。
在降本环节中，硅片成本分为硅料成本和非硅成本，非硅成本指的是硅片生产中所消耗的能源、人力、辅料等与硅料无关的成本。因为硅料成本基本不受硅片企业自身的控制，而取决于市场供需情况，非硅成本才是硅片企业最能控制的成本。因此，对降本有促进作用的大尺寸和薄片化是未来硅片的发展趋势。光伏硅片大尺寸有助于提升硅片产能、降低单位投资和拉晶能耗，从而降低电池的非硅成本：太阳能级硅片从1981年的100㎜增大到2019年的210㎜。大尺寸硅片的转换效率更高，同时可有效降低成本和提高光伏发电效率（注：关于182mm和210mm的实用性仍存在较大讨论）。薄片化有利于降低硅耗和硅片成本，硅片厚度对电池片的自动化率、转换效率等均有影响。2020年多晶硅片平均厚度为180μm， P型单晶硅片平均厚度在175 μm左右， N型硅片平均厚度为168μm，较2019年基本持平。 设备方面：从单晶硅片及切片设备投资构成看，最核心是单晶炉和切片机。 单晶炉约1.4亿元/GW，切片设备约0.4亿/GW，这两种设备价值量占比最高；此外机加工设备约0.3亿元/GW，其他设备约0.2亿元/GW，合计设备投资2.3亿元/GW。单晶炉技术指标提升速度迅猛， 2019年拉棒单炉投料量约1300kg，较2018年的950kg有大幅提升，先进设备单炉投料量达到1600kg，随着坩埚制作工艺、拉棒技术的不断提升、坩埚使用的优化，投料量仍有较大增长空间。目前210mm的主要困难点来自后端切片、电池和组件环节。为适应210mm生产，需进行相应的设备改进。 硅片制造相关企业： 隆基股份、保利协鑫、中环股份、晶科能源、晶澳科技、德荣新能源、阿斯特、环太集团、京运通、无锡荣能 设备相关企业： 单晶炉-晶盛机电、连城数控、北方华创 截断机&切片机-小松NTC、梅耶博格、晶盛机电、大连数控、上机数控、高测股份 分选机-梅耶博格、应用材料、奥特维、天准科技 金刚石线-美畅股份（绑定隆基）、三超新材、岱勒新材 总结:
参考资料：
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来自： abcshiguke > 《光伏》
