光伏产业技术变革简析
来源:郭天戈 浏览人数:6905 时间:2022/01/28
人类进入工业化时代的两百多年来,二氧化碳排放量不断增加,导致全球气温升高、引发气候问题,减少二氧化碳等温室气体的排放已经成为全人类共同的目标。全球有越来越多的国家提出“碳中和”目标,而实现“碳中和”的重要路径就是发展新能源、降低化石能源消耗。IRENA(国际可再生能源机构)预测,在2050年全球碳中和的背景下,电力将成为最主要的终端能源消费形式(占比超过50%),而90%的电力将由可再生能源发电供应,63%的电力由光伏和风电供应。因此,光伏产业将成为未来数十年的景气赛道,值得长期研究跟踪。
下图为光伏产业链的上游、中游、下游。上游为光伏的基础原材料,硅(石头)经过热还原反应形成工业硅(也称为金属硅),再提纯成为多晶硅(也称为硅料)。中游为硅棒-硅片-电池片-组件,硅料经过加热、融化、拉晶后制成单晶硅棒或者多晶硅锭,再经过切片得到单晶硅片或多晶硅片(目前单晶是主流)。得到硅片后,再通过制绒-扩散-刻蚀-镀膜-丝网印刷-烧结-分选-镀膜等步骤,得到电池片,这是光伏组件的基本发电单元。电池片串联起来,再用EVA胶膜和光伏玻璃粘在一起形成叠层,之后再将这个叠层放入铝制边框中进行封装、检测,得到最终的组件。下游是光伏发电的应用场景,通过将组件按照一定方式组装成光伏阵列,再与逆变器、配电柜、控制系统连接,接入电网输送电力。
图1
数据来源:晶科能源招股书
从产业链各环节的竞争格局看,中国已经成为全球光伏产业的绝对龙头,拥有全球最大的产业链集群、最大应用市场、最大产能、最多专利、最大产品出口,而且行业集中度仍在不断提高。2020年全球前五大硅片企业产能超过全球的80%,前十大电池片企业产能超过全球的66%(同比增长10个百分点以上),前十大组件企业产能接近全球的60%(同比增长10个百分点以上)。
图2
数据来源:中国光伏行业协会《2020年-2021年中国光伏产业年度报告》
尽管行业集中度仍在提高,但各环节的格局并未稳定。过去10年,光伏行业各种新技术不断取得突破,技术创新推动行业综合成本下降了90%以上,把光伏带入了全球平价的时代,但技术进步的脚步并没有停止。光伏产业具备科技制造的属性,技术的变革一方面带来生产效率的提升,另一方面也带来行业格局的洗牌,这个过程中蕴含着重大的机遇与风险。从历史上看,新技术一旦跨过零界点,会以很快的速度替代老技术,而掌握新技术的公司,也会快速取代固守老技术的公司,成为新龙头。近年来最典型的技术革新,就是单晶硅片对多晶硅片的替代。单晶硅片有更好的发电性能,但早期成本很高,而个别公司全面拥抱新技术,推动单晶拉晶技术、金刚线切片技术的产业化,使成本大幅下降,对应的单晶电池和组件产品价格也快速下降,性价比优势显现,2016年单晶硅片市场份额27%,2019年达到65%首次超过多晶硅片,2020 年提升至 90%(数据来源:中国光伏行业协会)。这一轮单晶硅片的技术革新奠定了该公司的全球龙头地位。展望未来几年,光伏产业链各环节均面临产能过剩的风险,新技术的革新才会带来超预期的变化和投资机会。目前能看到的技术进步主要在硅料、硅片、电池片这3个环节。
一、硅料
目前硅料行业的主流生产方法是改良西门子法,也即通过改良传统的西门子法(早期硅料的生产技术源于德国西门子,因此称为西门子法)得来,这是目前国内外最普遍也是最成熟的方法。根据中国光伏行业协会的数据,2020年我国采用改良西门子法生产的多晶硅约占全国总产量的97.2%。改良西门子法技术成熟稳定,行业的技术发展目标主要是持续提高生产效率,提升产品质量,降低物耗、能耗,降低成本。但经过多年的发展,改良西门子法提效降本的空间已经有限。
而多年前的另一种技术叫硅烷流化床法(产物为颗粒硅,改良西门子法产物为棒状硅),该技术最近进步显著。两种技术的生产工艺过程不再赘述,简单来说,改良西门子法用高温的高纯硅芯为载体,生成的多晶硅沉积在硅芯上,产物为棒状。硅烷流化床法将工业硅在硅烷流化床内转化为颗粒状的硅料。相比之下,硅烷流化床法(颗粒硅)的优点:投资成本低、温度低、能耗低、尾气易于回收利用、可连续投料生产、项目人员需求少等;缺点:生产过程易燃易爆有安全隐患,产品的氢含量碳含量较多、难以达到品质要求。
颗粒硅因为含有杂质,下游的硅片厂商将少量颗粒硅掺杂进棒状硅使用,因此掺杂比例有多高,决定了颗粒硅未来在硅料市场的占比能有多大。目前颗粒硅技术的主导公司正在努力解决杂质问题,扩大产能,而节能低碳环保是颗粒硅最大的优势,更加符合全球碳中和的趋势。颗粒硅的产品杂质问题如果解决,凭借低成本的优势,很有可能大规模替代现有的改良西门子法技术,进而改变现有的竞争格局。
二、硅片
硅片环节,如前文所述,近年来最大的技术革新就是单晶硅片对多晶硅片的替代,目前单晶份额超过90%,替代进程已经完成。硅片行业仍在进行的两大技术改良是大尺寸化和薄片化。
硅片的尺寸越大,对光的转换效率更高,进而提高发电效率,而且可以降低单位投资成本和能耗,摊薄非硅成本(即原材料以外的成本)。2019下半年开始,硅片厂商陆续推出182mm、210mm的大尺寸硅片,2020年这两类硅片占比仅4.5%,但这两年大尺寸硅片快速渗透,根据PV infoLink 统计,2021上半年占比升至30%,全年预计达到50%,2022年将达到70%。另一方面,硅片的厚度越薄,对硅料的消耗越少,节约成本,且硅片柔韧性会更好,给后端的电池和组件环节带来更多的创新。大尺寸化和薄片化已经成为当前硅片环节的主要发展方向。
总体来看,硅片环节目前的技术进步循序渐进,并没有发生本质的变化,预计不会对行业竞争格局带来重大变化。
三、电池片
电池片的作用是将光能转换成电能,同等光照下,转换成的电越多越好,因此光电转换效率的高低是衡量电池片的最重要参数。现有的电池片技术有2大类,1是P型,2是N型,区别在于原材料硅片,P型硅片掺杂了硼元素,N型硅片掺杂了磷元素。目前P型电池占据了主流,我们经常听到的P型PERC电池就是P型电池中最主流的分支。P型PERC电池的理论转换效率为24.5%,目前实际生产中的转换效率已经接近23.5%的瓶颈,再继续提升的空间较小,而且产业链配套非常成熟,产业化降本也越来越难。
在此背景下,行业急需应用新型电池技术,以继续降本增效,N型电池应运而生。较P型电池而言,N型可实现更高的理论转化效率,且具有寿命高、弱光效应好、温度系数小等优点,是产业升级的方向。当前N型电池片技术主要包括TOPCon(理论效率28.7%,目前量产效率24.5%)、HJT异质结(理论效率27.5%,目前量产效率25.05%)、IBC(目前量产效率24%)三种。由于IBC电池工艺复杂、目前量产转换效率低、单位投资额高,因此中期来看最有可能替代P型电池的就是TOPCon或HJT异质结电池。尽管目前N型电池比P型PERC电池综合成本高15%-20%,但随着工艺改善、设备原材料国产化加速、良率提升,预计综合成本会很快降低,迟早会替代P型电池。
对于TOPCon和HJT异质结,传统电池片企业倾向于选择TOPCon,因为TOPCon和现在主流的PERC产线重合度很高,在现有产线上仅需增加部分设备就能升级,可以极大降低投资成本,同时避免旧产线的废弃,因此短期内TOPCon的产能增速会快于HJT。对于新势力电池片企业,会倾向于选择HJT,一方面没有传统产线可供改造,另一方面也具备弯道超车的机会。HJT的优势是实际转换效率更高,缺点是投资成本更高,投资成本来自设备和材料,异质结设备的国产化较为成功,单GW投资从过去的8亿元降至去年的4亿元,预计今年降至3亿元,材料端的银浆、靶材等辅材也在快速国产化降本。从中期角度看,HJT异质结潜力更大,因转换效率更高且降本速度快。长期看,最有潜力的是IBC电池,其没有正面栅线遮挡,理论效率最高,同时可以叠HJT/TOPCon变为HBC/TBC,只是目前投资成本高,还需要时间。
在碳中和的长期目标下,光伏产业在未来很长一段时间内会有持续增长的需求,这已经成为产业界的共识,也成为资本市场的共识。在这种共识驱动下,产业链各环节的产能扩张速度快,新进入者多,资本市场也充分定价了行业的长期成长性。而光伏产业具有科技制造的属性,未来技术路线的发展方向存在分歧,新兴技术有可能改变甚至颠覆现有的竞争格局,带来超预期的投资机会。
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