未来光伏发电技术的发展趋势预测

江 华

(赛迪智库集成电路研究所，北京 100846)

0 引言

光伏产业是当前国际能源竞争的重要领域。近几年来，光伏发电技术持续进步，迭代速度加快，已由常规铝背场(BSF)太阳电池技术转向背钝化(PERC)太阳电池技术、由砂浆切割技术转向金刚线切割技术、由多晶硅太阳电池转向单晶硅太阳电池，每一轮技术变革都预示着跟不上技术变革步伐、应对不力的光伏企业将面临被淘汰出局的境地。因此，科学判断下一阶段光伏发电技术的发展趋势，分析光伏发电技术的产业化走向，对光伏企业乃至光伏产业的发展至关重要。本文基于当前涌现出的各类光伏发电技术路线的情况进行了分析，从不同方向对未来光伏发电技术的发展趋势进行了预测。

1 未来光伏发电技术的发展趋势分析

1.1 PERC晶体硅太阳电池是目前市场占有率最高的太阳电池类型，性价比优势明显，且仍有进步空间

目前市场主流的太阳电池技术为p型PERC晶体硅太阳电池技术，从设备和材料上均已实现国产化批量供应，产业链成熟，生产成本相对较低。2020年，PERC晶体硅太阳电池的生产成本已降至0.75元/W。从产品性能来看，2020年，PERC单晶硅太阳电池的产业化平均光电转换效率已经达到22.8%，2021年有望超过23%，并且未来仍有望以年均0.3个百分点的速率提升。据中国光伏行业协会(CPIA)的数据显示：2020年，PERC晶体硅太阳电池的市场占有率将达到86.4%；2025年之前，其将仍是市场主流的太阳电池技术，预计2025年PERC晶体硅太阳电池的市场占有率仍将在65%以上。

1.2 n型晶体硅太阳电池技术是未来太阳电池技术的重要发展方向

从未来太阳电池技术的发展趋势来看，随着以n型隧穿氧化层钝化接触(n-TOPCon)单晶硅太阳电池和异质结(HJT)单晶硅太阳电池为代表的n型晶体硅太阳电池新建生产线的逐步投产、生产规模的逐步扩大、设备和材料的国产化率逐步提升、设备价格和生产成本的逐步下降、产品性能和竞争力的逐步提升，以及生产工艺的逐步优化，该类太阳电池将凭借比PERC晶体硅太阳电池更高的光电转换效率和更低的衰减率快速提升其市场份额。2020-2030年各种太阳电池技术的市场占有率的变化趋势预测如图1所示。

图1 2020-2030年各种太阳电池技术市场占有率的变化趋势预测Fig. 1 Change trend forecast of market share of various solar cell technologies from 2020 to 2030

由图1可知，根据CPIA预测，至2023年，所有n型晶体硅太阳电池的总市场份额将会提升至约17.6%，分析可知，在2028-2029年期间，n型晶体硅太阳电池将超越PERC晶体硅太阳电池成为未来太阳电池技术的主导，并且考虑到光伏技术进步较快的特点，该时间点很可能提前。

1.3 n-TOPCon单晶硅太阳电池技术是有望快速实现量产的n型晶体硅太阳电池技术

在包含n-TOPCon单晶硅太阳电池、HJT单晶硅太阳电池、IBC单晶硅太阳电池在内的n型晶体硅太阳电池技术中，虽然n-TOPCon单晶硅太阳电池和HJT单晶硅太阳电池均已形成了吉瓦级生产能力，但二者的实际产量却较低，尚处于量产验证阶段；IBC单晶硅太阳电池由于生产工艺复杂、生产成本高，目前生产企业主要以美国SunPower公司为主，且国内仅有数条实验生产线，并未实现量产。而相对HJT单晶硅太阳电池而言，n-TOPCon单晶硅太阳电池有望更快实现大规模量产。

n-TOPCon单晶硅太阳电池的发展优势主要体现在以下2个方面。

1) n-TOPCon单晶硅太阳电池工艺产线的兼容性高，其可与PERC晶体硅太阳电池的高温制备工艺产线相兼容。现有的PERC晶体硅太阳电池工艺产线只需要添加B扩散设备及PECVDpoly三合一设备即可升级为n-TOPCon单晶硅太阳电池工艺产线。

而HJT单晶硅太阳电池工艺则与现有的PERC晶体硅太阳电池工艺完全不同，因此，基于行业现有的巨量PERC晶体硅太阳电池产能，未来更易接受的光伏发电技术路线是充分利用现有产线升级成n-TOPCon单晶硅太阳电池产线。

2)从现阶段来看，n-TOPCon单晶硅太阳电池的性价比优势更明显。从产品性能来看，n-TOPCon单晶硅太阳电池也能实现较高的光电转换效率，且其与HJT单晶硅太阳电池的光电转换效率之间的差距并不明显。

2020-2030年2类单晶硅太阳电池技术的产业化平均光电转换效率的变化趋势如表1所示。

表1 2020-2030年2类单晶硅太阳电池技术的产业化平均光电转换效率的变化趋势Table 1 Change trend of industrialized average photoelectric conversion efficiency of two types of mono-silicon solar cell technologies from 2020 to 2030

从表1可以看出，2020年，n-TOPCon单晶硅太阳电池的产业化平均光电转换效率已达到23.5%，仅比HJT单晶硅太阳电池的产业化平均光电转换效率低0.3个百分点；而到2030年，二者之间的差距将会保持在0.2个百分点以内。

从最高光电转换效率来看，2021年，晶科能源控股有限公司(下文简称为“晶科”)研发的大面积n-TOPCon单晶硅太阳电池的实验室光电转换效率达到了24.90%，也仅比汉能移动能源控股集团有限公司(下文简称为“汉能”)创世界纪录的HJT单晶硅太阳电池的实验室光电转换效率(25.11%)低0.21个百分点。

从投资设备成本来看，2020年时，n-TOPCon单晶硅太阳电池的设备投资成本为2.5亿元/GW，仅比PERC晶体硅太阳电池的高0.5亿元/GW，而HJT单晶硅太阳电池的设备投资成本则高达4～5亿元/GW。

从生产成本来看，n-TOPCon单晶硅太阳电池也使用高温浆料，且浆料耗量与PERC晶体硅太阳电池相比，增幅不明显。HJT单晶硅太阳电池使用低温浆料，价格较高，且浆料耗量大；此外，生产该类太阳电池需使用靶材，高设备投资带来的折旧成本反而更高，因此该类太阳电池的生产成本相对更高。据赛迪智库集成电路研究所(下文简称为“赛迪智库”)测算，2020年n-TOPCon单晶硅太阳电池的生产成本为0.934元/W，比HJT单晶硅太阳电池的低0.340元/W。不同太阳电池技术的产业化比较如表2所示。

表2 不同太阳电池技术的产业化比较Table 2 Comparison of industrialization of different solar cell technologies

1.4 HJT单晶硅太阳电池技术是有望在未来2～3年内实现量产的n型晶体硅太阳电池技术

2020年，HJT单晶硅太阳电池的市场占有率仍较低，仅约为1.5%。但预计2021年Q2-Q3，在新建HJT项目中对国产设备运行稳定性会有验证结果，届时国产化的更大产能的核心设备，比如化学气相沉积(CVD)设备和物理气相沉积(PVD)设备，也将进一步成熟。因此，预计2021年下半年HJT单晶硅太阳电池的产能扩充将达到吉瓦级，2022年HJT单晶硅太阳电池将会出现单个项目的规模达几吉瓦的产业化情景，其市场占有率也将持续提升。

随着设备厂商的技术进步(如提高太阳电池的光电转换效率和生产节拍)、银浆及靶材的国产化、硅片的薄片化(厚度降至120～130 µm、n型硅片的溢价降低)，这些因素将共同推动HJT单晶硅太阳电池技术的真实降本，使其量产的经济性进一步凸显。

1.4.1 设备折旧

随着国产设备的降本与提效，2020 年时4～5亿元/GW的设备投资额仍有较大的降本空间。一方面，通过优化设备硬件结构设计及参数指标，能够提升HJT单晶硅太阳电池的光电转换效率和量产的稳定性；另一方面，通过增加单台设备的产能和提高设备的国产化，可降低初始投资成本和HJT单晶硅太阳电池的综合成本，进而提升HJT单晶硅太阳电池量产的经济性。

从2020年底通威集团有限公司(下文简称为“通威”)的金堂基地1 GW HJT量产项目公开招标的结果中可以看出，HJT单晶硅太阳电池技术在单位价格、国产化率、生产节拍上均有提升。从单位价格上来看，该招标结果已低于4.5亿元/GW的水平。从国产化率来看，除了在清洗制绒环节有一半设备采用日本YAC公司的设备外，其余所有设备均为国产设备，国产化率已超过95%，接近100%。从生产节拍来看，苏州迈为科技股份有限公司(下文简称为“迈为”)生产的PECVD设备的出片数量高达每小时8000片(载板为8片×8片，单片太阳电池的生产节拍不超过29 s)。更为重要的是，迈为中标的PECVD设备每小时8000片的生产节拍是基于M10 (182 mm×182 mm)尺寸的硅片，年实际产能已达到了每条产线450 MW的规模，比此前的每小时4000～6000片 M2、M6硅片的产能有大幅提升。

从设备投资成本来看，2020年HJT单晶硅太阳电池的设备投资成本仍约为4.5亿元/GW，虽相比2019年时的10亿元/GW有较大降幅，但仍是PERC晶体硅太阳电池设备投资成本的2倍以上。预计1～2年后，随着国产设备在新建投产线逐步稳定的生产，以及产能的逐步提升，设备投资成本有望降至3亿元/GW以下。

1.4.2 浆料

减少银浆的消耗量和提高低温银浆的国产化率是降低HJT单晶硅太阳电池成本的2个重要方面。

1)无主栅、多主栅技术在HJT单晶硅太阳电池及光伏组件上的应用，使银浆的消耗量快速减少。研究显示，多主栅技术可使太阳电池端的光电转换效率提升约0.2%，可节省25%～35%正面银浆的消耗量[1]，将多主栅技术应用于HJT单晶硅太阳电池同样可有效降低银浆消耗量。采用5BB技术的单片HJT单晶硅太阳电池的银浆消耗量约为300 mg、银浆成本约为1.9～2.1元/片，采用MBB技术的银浆成本约为1.1～1.2元/片。2020-2030年低温浆料消耗量的变化趋势如图2所示。

图2 2020-2030年低温浆料消耗量的变化趋势Fig. 2 Change trend of low temperature slurry consumption from 2020 to 2030

2)“银包铜技术”的商业化量产，将使银浆消耗量降低30%。

3)提升串焊设备的精度，减小银浆主栅上焊接点(银浆主栅上耗银量较高的部分)的大小，可节省主栅上的银浆消耗量。

4)国产低温银浆，比如常州聚和新材料股份有限公司、苏州晶银新材料科技有限公司、浙江凯盈新材料有限公司等生产的低温银浆产量释放，打破了日本的垄断，相较于高温浆料的溢价将大幅消失。

1.4.3 靶材

通过提升靶材利用率、实现靶材规模化回收、实现太阳电池背面以铝掺杂的ZnO透明导电玻璃(AZO)替代和提升靶材国产化率(如广东先导稀材股份有限公司、长沙壹纳光电材料有限公司等生产的靶材)等降本方式来降低HJT单晶硅太阳电池的成本。

1.4.4 小结

预计到2023年，HJT单晶硅太阳电池的生产成本将接近PERC晶体硅太阳电池的生产成本。2023年达产的HJT单晶硅太阳电池的成本估算如表3所示。

表3 2023年达产的HJT单晶硅太阳电池的成本估算Table 3 Cost estimation of HJT mono-silicon solar cells reaching production in 2023

1.5 薄膜太阳电池有其特殊应用场景，但仍不足以撼动晶体硅太阳电池在市场中的主流地位

从市场应用情况来看，薄膜太阳电池及光伏组件虽有其独占市场，但规模较为有限。下文对其应用市场进行分析。

1)光伏建筑一体化(BIPV)市场。薄膜太阳电池的一个重要优点是其适合制作为与建筑结合的光伏组件，即能实现BIPV。可根据需要制作成透光率不同的双层玻璃封装的刚性薄膜光伏组件，从而实现部分代替玻璃幕墙，而采用不锈钢和聚合物衬底的柔性薄膜光伏组件可用于建筑屋顶等需要造型的部分。一方面，薄膜太阳电池具有漂亮的外观，且能够发电；另一方面，用于薄膜太阳电池的透明导电薄膜(TCO)能很好地阻挡外部红外射线的进入和内部热能的散失，而双层玻璃中间的PVB或EVA能够有效隔断能量的传导，起到与低辐射玻璃相同的功能[2]。在土地价格昂贵的地区，BIPV是解决土地成本过高和减少电力输送路径的最佳方案。

2)承载能力较弱的屋顶市场。薄膜光伏组件具有轻量化的特点，因此在一些不适宜安装晶体硅光伏组件的屋顶上仍能够架设采用薄膜光伏组件的光伏发电系统。以汉能生产的柔性铜铟镓锡(CIGS)薄膜光伏组件为例，其每平方米重量不超过4 kg，非常适用于工业厂房、物流仓储、机场、车站、展馆、体育场馆等荷载较小的轻钢屋顶；而常规晶体硅光伏组件每平方米的重量超过11 kg，不适用于这些特殊的应用领域。数据显示，2020年我国约80%的工业厂房及仓库屋顶为轻钢屋顶，其中荷载余量小于15 kg/m2的屋顶占86%，无法安装采用传统的晶体硅光伏组件或玻璃基光伏组件的光伏发电系统，因此该市场是轻薄柔性薄膜光伏组件的独占市场。按2014年统计的存量及增量屋顶面积中20%的安装面积计算，薄膜光伏组件的需求大于50 GW。

3)移动能源市场。由于薄膜太阳电池可以使用不锈钢或聚合物衬底来生产柔性薄膜光伏组件，因此通过将薄膜发电技术与电子信息产品、交通工具(如轮船、房车等)、户外用品、航空航天等多个领域的数10种产品相结合，可以创造出具有广阔市场前景的新兴市场，即移动能源市场。

但目前上述3种市场的应用空间较为有限，主要体现在：1) BIPV市场中，光伏组件与建材相结合，与建筑的设计、施工方面的结合更紧密，但相关的标准及监管措施尚空缺，也尚未形成成熟的商业模式，目前仅在部分商用与公用建筑上有示范性应用，离大规模应用阶段尚需一段时间。与此同时，在碳达峰、碳中和背景下，最具有增长潜力的BIPV市场，晶体硅光伏组件企业也在积极进入，凭借其性价比优势抢占柔性薄膜光伏组件的应用市场空间。2) 承载能力较弱的屋顶市场在整个光伏市场所占份额并不高。3) 移动能源市场虽然整体量大，但单体规模小，以瓦为单位，且产品价格偏高，仅面向特殊需求，总体来看其市场需求在吉瓦量级。综上所述可知，薄膜光伏组件的应用市场空间相对有限。

从光伏行业当前的实际情况也能看到，除美国First Solar公司外，大部分薄膜光伏组件企业为百兆瓦量级，年均出货量不超过100 MW，这与晶体硅光伏组件企业动辄10 GW以上的出货量相比差距明显。

从技术角度对各种太阳电池技术进行对比分析。

1)目前薄膜太阳电池的性价比较低。目前已经量产的薄膜太阳电池，包括硅基薄膜太阳电池、CIGS薄膜太阳电池、碲化镉(CdTe)薄膜太阳电池、砷化镓(GaAs)薄膜太阳电池等，在产品性价比上均无法同晶体硅太阳电池相竞争。目前，相较于晶体硅太阳电池，硅基薄膜太阳电池在产品性能与生产成本方面均无明显优势，且其技术提升空间有限，因此相关生产企业相继减产或退出了该领域。GaAs薄膜太阳电池具有超高光电转换效率，单结的实验室最高光电转换效率达到29.1%，双结的实验室最高光电转换效率达到32.9%，六结的实验室最高光电转换效率达到39.2%；但GaAs薄膜太阳电池的生产成本较高，目前主要应用在对成本不敏感的军事、航空航天等领域。主流的量产薄膜太阳电池，如CIGS薄膜太阳电池和CdTe薄膜太阳电池的光电转换效率均低于晶体硅光伏组件的光电转换效率。有机薄膜太阳电池的制备工艺相对简单，但受光电转换效率较低的影响，近些年来发展缓慢，导致其光电转换效率提升空间有限。叠层太阳电池的工艺复杂，产业化面临较大难题。因此，在与晶体硅光伏组件重合的市场领域，薄膜太阳电池的竞争力较弱。

2020-2030年各种太阳电池及光伏组件技术的光电转换效率的变化趋势如表4所示。

表4 2020-2030年各种太阳电池及光伏组件技术的光电转换效率的变化趋势Table 4 Change trend of photoelectric conversion efficiency of various solar cell and PV module technologies from 2020 to 2030

2)薄膜太阳电池技术的封闭性特点使其在竞争中处于不利地位。晶体硅光伏组件的市场占有率高、产业链长且参与企业众多，仅在中国就有上千家企业，通过不同产业链环节的技术进步为晶体硅太阳电池的技术创新与成本下降贡献了力量，科研机构也相继转向高效晶体硅太阳电池技术的研发。而薄膜太阳电池技术由于前期投入大、技术门槛高、产业链短，并且工艺高度集成于设备，使参与企业屈指可数，近几年更是有多家企业相继退出薄膜太阳电池的研发和生产，如中国台湾的台湾积体电路制造股份有限公司、德国的Wurth Solar公司等。该类太阳电池技术的封闭性特点使其生产工艺掌握在少部分企业手中，相对于晶体硅太阳电池而言，薄膜太阳电池技术进步的推手力量单薄，这为薄膜太阳电池技术发展带来了一定风险。众所周知，在平板显示行业发展初期，尽管等离子显示(PDP)技术相对薄膜晶体管液晶显示(TFT-LCD)技术有较大技术优势，但正是由于后者的参与企业数量多、范围广，而前者仅有日本松下公司一家企业在推动，最终导致PDP技术被市场淘汰。同样，薄膜太阳电池也需要警惕此类市场风险。

综上所述，薄膜太阳电池尚不足以撼动晶体硅太阳电池的市场主流地位。

1.6 钙钛矿太阳电池有较大发展潜力，但商业化仍有技术问题待解决

2009年首次制得钙钛矿太阳电池时，其光电转换效率仅为3.8%，经过10余年的发展，钙钛矿太阳电池的实验室光电转换效率已高达25.5%，钙钛矿/硅叠层太阳电池的实验室光电转换效率已达到29.52%，其光电转换效率增速在太阳电池行业中独树一帜。钙钛矿太阳电池除光电转换效率高且提升迅猛之外，还兼具原材料丰富、成本低、技术工艺相对简单、制造过程低碳环保等优势。近期的相关研究更是提升了钙钛矿太阳电池的稳定性和大面积钙钛矿太阳电池的光电转换效率，使该太阳电池技术成为太阳电池领域中最令人期待也是最重要的技术新方向之一。

但钙钛矿太阳电池及光伏组件的商业化仍存在障碍，具体体现在：

1)大尺寸钙钛矿光伏组件的光电转换效率亟待提升。目前，拥有较高光电转换效率的钙钛矿太阳电池的尺寸均极小，因此如何把大尺寸、组件级别的钙钛矿光伏组件的光电转换效率提升到与小尺寸时的光电转换效率持平，同时使光伏组件保持一定的性能稳定性，是学术界和产业界共同关心的问题。

2)材料本身的光致衰减问题仍待突破。造成钙钛矿光伏组件性能不稳定的因素主要包括钙钛矿在湿热环境下其晶相倾向于由立方相(高性能)向斜方相(低性能)转变，导致光伏组件的电性能下降；在长期光照情况下，钙钛矿容易发生离子迁移，使其晶格结构发生转变，引起该类光伏组件的光电转换效率降低。由于这属于钙钛矿材料本身的特性，解决难度很大。

3)商业化钙钛矿太阳电池和光伏组件的开发面临挑战。制作中等尺寸(面积约为10 cm2)的光伏组件可使用丝网印刷、涂布和蒸发等方法，但大尺寸的钙钛矿太阳电池和光伏组件的生产对工艺的速度、稳定性和可扩展性都有更高的要求，这使进一步提高钙钛矿光伏组件的面积面临诸多技术挑战。另外，钙钛矿光伏组件在不同领域应用时还需要考虑到特别的产品设计和生产的限制因素，包括基底类型、堆叠方式、各种材料、相应的沉积方法、互联和封装条件，以及耐用性等因素。

因此，总体来看，钙钛矿太阳电池及光伏组件的商业化前景仍有很多障碍需要克服。

2 结论

本文基于当前涌现出的各类光伏发电技术路线，对未来光伏发电技术的发展趋势进行了判断及预测，并得出相关结论，以期为光伏企业选择自身的技术路线提供参考。

1) PERC晶体硅太阳电池是目前市场占有率最高的太阳电池类型，性价比优势明显，且仍有进步空间。

2) n型晶体硅太阳电池技术是未来太阳电池技术的重要发展方向。

3) n-TOPCon单晶硅太阳电池技术是有望快速实现量产的n型晶体硅太阳电池技术。

4) HJT单晶硅太阳电池技术是有望在未来2～3年内实现量产的n型晶体硅太阳电池技术。

5)薄膜太阳电池有其特殊应用场景，但仍不足以撼动晶体硅太阳电池在市场中的主流地位。

6)钙钛矿太阳电池有较大发展潜力，但商业化仍有技术问题待解决。