光伏硅片：单晶硅对多晶硅实现全面替代

硅片是产业链上游的末端，是光伏产品的起点。其形状、大小与薄厚取决于生产工艺与下游产品设计需求。硅片进一步加工即是晶硅电池片，而电池片经排列、封装并与其它辅材组合后即是太阳能电池板，光伏系统最小有效发电单位。

简单概括硅片的生产工艺：将上一节所说的多晶硅料经过一系列工序后，拉棒制成单晶硅棒，或铸锭制成多晶硅锭，再进行切片制成硅片。

光伏硅片目前有单晶与多晶两种产品形态，但两者存在代差。

单晶硅的晶体品质、电学性能、机械性能等方面优良，且光电转换效率更佳，但在行业发展初期生产成本偏高，未能得到广泛应用。多晶产品在这一阶段依靠价格优势，在很长一段时间内占据市场主导。

随着硅料生产工艺、拉棒工艺以及最后的切割工艺持续进步，单晶硅生产成本迅速下降，同时以PERC电池（钝化发射区背面电池，Passivated emitter rear contact solar cells，目前主流光伏电池）为代表的新一代电池技术，对单晶硅片的利用率更高，这进一步拉开了本就存在差距的光电转换效率。

在成本和转换效率的此消彼长之下，单晶硅迅速崛起。截至2020年底，单晶硅片的市占率已经从2016年的20％，提升至超过90％，已实现了对多晶硅片的全面替代［8］。

除了单晶硅与多晶硅的路线之争外，硅片制造还专注于降低生产成本。

其中一个措施是“变大”，即做大单片尺寸，这是目前硅片主要趋势之一。当前光伏硅片有5种主流尺寸，分别为156．75mm、158．75mm、166mm、182mm、210mm。

大尺寸化正在加快。156．75mm与158．75mm规格正在被快速淘汰，166mm成为主流，182mm和210mm产能也在持续提升，快速进入市场［3］。

其背后原因，也是大尺寸硅片的发电效率更高，且终端产品的非硅成本（生产中所消耗的能源、人力、辅料等）更低。

简略地说，硅片下游的电池／太阳能组件的生产速率比较固定，与硅片尺寸关系不大。

若硅片面积增大意味着单位时间生产出来的电池／组件的总功率更高，相应的每瓦生产成本就会被摊薄。其次，部分辅材，如接线盒、灌封胶、汇流箱、直流电缆等，用量与电池片面积无关，仅与电池块数有关。同转换效率下，大尺寸电池片对这些辅材的消耗也比小尺寸低，这进一步降低了非硅成本。

这一系列优势积累下来，就是终端利润的提高，预估每瓦毛利可提升近0．1元［9］。不过大尺寸同样也要求下游生产工艺的同步改善，需要一定的产业链协同发展。

另外，生产与切片过程中的硅料损耗，也会导致生产成本的增加，如何降低生产过程中的耗硅量同样重要。

从宏观趋势看，如今每瓦综合耗硅量（g／瓦）持续下降，2019年的单位耗硅量为4．3g／瓦，仅为2009年的31％［10］。对原材料利用率的大幅提高，自然会带来利润空间的同步增长。目前降低耗硅量的主要方式为降低硅片厚度与减少切片损耗。

硅片减薄：从产业发展趋势看，硅片厚度下降是另一个长期趋势——这不仅有效减少耗硅量，提高出片数，进而实现降本，也为下游的电池组设计带来更多产品设计路线。目前单晶硅片量产厚度在170～180μm，较行业早期进步明显，一些采用前沿技术的企业已经能够实现140μm单晶硅片的生产，未来降本空间可观。长远看，指向120μm厚度的技术路线也比较清晰，但受限于生产技术，距离商业化比较遥远。

数据来源：全国能源信息平台［11］

切片减损：刀锋损失是硅料切割过程中主要的损耗来源。新一代的金刚线切割技术较传统切割法，有切割速度快、良品率高、单片损耗低等一系列优点。高水平的切割技术同样有助于硅片进一步减薄与增大，能够协助改进硅片产品设计，进而降低生产成本。

可以看到，目前光伏产业上游的发展路线十分清晰，一切围绕降本展开。

虽然已有不使用硅片的电池路线，但是距离商业化比较遥远，远不能撼动硅电池的统治地位。未来几年内，如何更高效的生产硅料，在相同成本下尽管多的提高硅片出片率，以及降低后续安装成本，仍将是光伏上游不变的发展方向。

光伏电池：持续升级，快速进步

介绍完硅片，现在让我们了解光伏产业中游的起点，光伏发电的核心部件——光伏电池。

所谓光伏电池，是一种利用太阳能发电的半导体薄片。只要满足一定光照条件，电池片就可输出电压，并在有回路的情况下产生电流。

目前主流的光伏电池由硅片经一系列工艺加工而来，由于这一过程比较复杂且不是本文核心，故仅列出示意图，不再另做赘述。

电池片是决定组件整体性能的核心因素，对光伏发电的重要性不言而喻：光伏组件最重要的指标为发电功率，而组件的发电系统是光伏电池片串并联制成。从原理层面看，电池片的光电转换率，直接决定了组件的整体发电功率。

光伏电池片的现有技术路线多且复杂，除了主流的单晶硅PERC电池，使用上一代电池技术的BSF电池也有一定用量，而新一代N型电池同样在快速崛起，被认为有望接替PERC电池成为下一代主流产品。

在半导体硅中掺入其它元素，增加大量自由电子，使半导体主要靠电子导电，此类产品称为电子型半导体，或称为N型半导体。使用此类半导体的光伏电池即为N型电池。

目前，单晶PERC产品作为主流光伏电池，生产工艺成熟，产能高，光电转换效率可达23％，较上一代的BSF电池优势明显，是性价比最高的电池技术路线。但PERC电池的问题是，其效率已经逼近24．5％的理论极限，未来优化空间非常有限。这是促使行业开始寻找下一代电池的主要原因之一。

N型电池是行业内相对比较成熟，发展路径最为清晰的技术路线。N型电池细分路线很多，普遍的转化效率已经超过平均24％的水平，潜力巨大，未来商业化空间十分可观。目前主要的N型电池可分为：TOPCon、HJT以及IBC三大类。

TOPCon：这一技术路线最大的特点是理论光电转换效率极高，达到28．7％，已经逼近晶硅极限（29．43％），明显优于PERC（24．5％）和HJT（27．5％）［12］。不考虑理论值，TOPCon电池目前的量产平均效率也有24％，高于主流电池产品。这一路线另一个优势在于其对生产线要求不高，可基于现有的PERC生产线升级而来，对前期投资更加友好，且能提高现有生产线的应用周期。

但TOPCon路线的缺点也比较明显，其生产工艺尚未定型且非常复杂，加工工序多达12～13道，远高于PERC电池的9道。这导致产品的良品率比较低，且复杂的生产工艺还推高了生产成本。这些因素作用之下，限制了TOPCon电池的进一步量产。

HJT电池：也称异质结电池或HIT、HDT、SHJ电池，被认为是最有希望成为下一代主流的技术路线。HJT电池的平均光电转换效率约在24％左右，明显高于PERC电池，可以有效提高发电量，摊薄发电成本。HJT电池另一个核心优势则是工序少——产品的加工流程仅有四步，更少的工艺步骤对提升良品率十分有用。

冷知识：异质结电池最早的开发者是日本三洋公司，但该公司之后将HIT注册为了商标，使得其它企业不能随意使用这一缩写指代异质结电池。这也是为何异质结电池的叫法比较多。

但生产工序少，和生产成本低是两回事。HJT电池最大的问题，在于生产成本过高：据Solarzoom统计，当前HJT电池成本相较PERC电池要高出约30％，这对于将降本放在第一位的光伏行业显然不能接受［13］。HJT的成本问题，一是由于对原材料要求高，消耗也比较大；二则是因为生产设备和现有设备不兼容，必须重新建设生产线导致极大地推高了前期成本；三是产品加工工艺也比较复杂。

总的来说，虽然被业内普遍看好，HJT仍需要更加成熟的生产工艺，以及更好的降本路线，才能尽快实现大规模商业化。

IBC电池：这是目前光伏电池中，转换效率最高的技术路线。IBC电池在研发早期的光电转换效率就已经超过25％，全面优于市面上的其它电池。但IBC也是最不成熟的技术路线：其生产工艺非常复杂，加工成本极高，生产设备昂贵。这使得IBC电池在商业化时，面临的困难远大于其它技术路线。

市场方面，2020年，随着PERC电池片新建产能逐步落地，该路线市占率持续提升，已经上涨至86．4％。由于技术相对老旧，发电能力不强，BSF电池市场占比下降至 8．8％，较2019年下降22．7％，已经基本被市场淘汰［14］。N型电池（主要为HJT【异质结】电池和TOPCon电池）由于成本问题，生产规模与用量仍然有限，目前市场占比约为3．5％，较2019年有小幅增长。

除了传统的晶硅电池，目前还有存在一条完全不同的光伏电池技术路线——薄膜型太阳能电池。

薄膜型太阳能电池的发电原理与晶硅电池相同，但应用的是一种由硫化镉、砷化镓等非硅材料制备成的微米量级厚度的光伏材料。由于这种材料的基本产品形态为一层薄膜，故得名薄膜电池。

薄膜太阳能电池具有衰减低、重量轻、材料消耗少、制备能耗低、适合与建筑结合等特点。但由于仍处于研发的早期阶段，薄膜电池当前的转换效率并不高，能够实现商品化的碲化镉薄膜电池与铜铟镓硒薄膜电池，组件的实验室效率也仅有19．5％和16％～17％［3］，甚至不如已经濒临淘汰的BSF电池，发电能力明显不足。而转换效率比较高的技术路线则存在成本过于昂贵，生产难度太大等一系列问题。这些因素叠加，导致薄膜电池在商业化上的困难较大。