太阳能制造业挺入100GW+时代

2017年，全球太阳能光伏（PV）板的安装量为100GW，预计2018年太阳能光伏板的安装量将达到120GW。这一两位数的增长体现了该行业正在经历一个势不可挡的发展阶段，即在终端市场上获得无异议的接受度，由此激励上游板块的技术创新，正以空前的速度发生着变革（图1）。

图1. 2017 年太阳能光伏面板的全年安装量达到100GW，其中中国消耗了全球的一般需求; 预计2018 年太阳能光伏面板安装量将实现20% 增长。

太阳能光伏行业的增长指标并不是通过终端市场在面板部署方面的情况进行简单评估，同时也要对元件制造阶段进行测评。鉴于此，这促使电池和模块组件生产商为了保持其自身的竞争力不得不增加对研发和工艺升级技术的投资。

2017年，太阳能光伏价值链中游板块（包括硅锭、硅片、电池和组件制造）的资本支出达到80亿美元——相较2014年的投资额增长了一倍以上，预计2018年将连续第五年实现资本支出增长（图2）。

图2. 过去几年中，由于中国新的产能和技术升级，光伏晶锭，硅片，电池和组件生产商的资本支出几乎翻了一番。

然而，除了这些增长指标之外，光伏行业还在不断调整其上游（制造）和下游（组件运输和安装）板块的战术和策略，以适应瞬息万变，不可预测的全球贸易格局。这种格局不断在制造原产国寻求施加进口壁垒 。

本文回顾了光伏制造和技术领域的最新发展，讨论对电池和组件制造商带来的影响，并强调资本设备供应商寻求从当前的产能扩张和技术升级中受益需关注的关键问题。

市场对激光设备给予了特别的关注，激光设备仍然是正在进行中的全行业升级周期的主要受益方之一，这是因为在太阳能电池的背面需要添加钝化层。事实上，这种工艺流程的变化甚至已经演变为模块产品线命名法，简单地缩写为PERC（发射极及背面钝化电池技术）。 太阳能电池制造业的PERC技术革命为行业内的激光器创造了最具活力和最有意义的应用前景。

中国推动太阳能发展

2012年以来太阳能光伏制造业在部署方面的增长大大超出了人们的预期。几年前的普遍共识是，太阳能光伏制造业的年安装量将在2020-2025年期间达到100 GW的水平。事实上，这一目标在2017年已经实现，由此提供了第一个关键指标，即太阳能最终从政策补贴市场转变为以供给为导向的解决方案，以满足整体供应结构中日益增长的全球化可再生能源贡献的需求。

图3. 截至2016 年，标准处理的晶体硅c-Si p 型太阳能电池主导了光伏生产; 2017 年期间，除了包括PERC（发射极及背面钝化电池技术）电池在内的先进工艺流程之外，p 型单晶电池还增加了对市场份额的贡献。

支撑这一变革的是中国不断变化的角色，无论是在元件制造抑或是终端市场的系统部署方面。在回顾2017年的市场走势时这点最为明显，中国企业生产了全年系统安装量100GW中80%以上的多晶硅、晶圆、电池和模块。

在过去的十年中，这些迹象已经非常明显了，光伏制造业的主导地位是中国银行获准向国内相关产业部门发放资金的关键动力。然而，未曾预见到的是中国在光伏组件部署方面的爆发式增长，从2013年的12GW产能增加到2018年预计的60GW，大约占2017-2018年间所有终端市场太阳能安装量的一半。 图1证实了自2013年以来中国在全球市场增长中起到的作用。

目前，没有迹象表明中国计划放缓对太阳能行业的投资。 事实上，中国政府正寻求进一步激励国内制造业的举措，不仅想要成为一个高产量，低成本的太阳能部件生产商，也要成为该领域的技术领导者并拥有最高效的太阳能电池生产能力。

尽管对中国生态系统的评论观点为光伏组件制造，资本开支和设备供应提供了很大的动力，太阳能光伏也正迅速获得机构投资者的广泛接受，他们的尽职调查活动完全是基于最低风险的投资回报率（ROI）开展的。这些举措正在推动创纪录的投资水平——在全球范围以及新兴二级市场建造新的太阳能发电园区，这些都由负责将可再生能源资产作为其多元化长期投资组合战略的企业着手进行。

硅继续主宰制造业

用于太阳能电池生产的晶体硅（c-Si）晶圆持续满足超过95%的全球终端市场供应量，目前只余下两家重要的公司采用了基于薄膜的生产技术，他们是全球领先的碲化镉薄膜电池组件制造商First Solar公司（位于美国亚利桑那州坦佩市），以及位于日本东京的铜铟镓硒（CIGS）薄膜光伏太阳能模块制造商Solar Frontier公司。图3所示为晶体硅c-Si变体和薄膜产品对市场份额的贡献。

事实上，随着太阳能制造业的年产能从2014年的50GW持续发展到2017年的100GW市场，中国生产的晶体硅（c-Si）的市场规模已经在制造商共同利益的基础上牢固地确定了生产成本和售价的基准。中国公司所面临的唯一障碍是要解决由欧盟和美国商务部实施的贸易案例引发的进口壁垒。 到2017年底，通过利用位于东南亚（特别是越南、马来西亚和泰国）的生产能力，以直接的公司运营模式或是采用第三方组件供应的方式，可以轻易地处理这种情况。

图4. 2017 年光伏行业排名前10 位的模块供应商（以发货量计），其中九家总部位于中国，韩华Hanwha Q-CELLS 是唯一的例外（韩国公司）; 2017 年前10 大公司为市场提供了近60% 的光伏组件。

图4所示的是2017年光伏行业的十大模块组件供应商，可以明显看出中国晶体硅生产商占据的主导地位。十家中有九家公司的总部位于中国，韩华Hanwha Q-CELLS是唯一一家非华企业，该公司目前主要在韩国运营，在中国和马来西亚也拥有数千兆瓦的电池和模块设施。

就在几年前，光伏组件模块出货量达到千兆瓦级就足以成为行业的领军者。而现在，顶尖的模块供应商（尤其是晶科能源JinkoSolar和天合光能Trina Solar）每年的发货量高达10GW，电池和模块产量水平远高于5GW，业务遍及中国和东南亚。

在短期内，这一主导地位很有可能会持续下去。只要中国占据光伏行业模块组件约一半的供应量，中国制造商（专供中国国内市场）将拥有非中国公司所能获得的供应基准。这使得中国公司的规模经济在生产中保持令人满意的两位数毛利率，几乎可以忽略模块价格的下降率。

中国力争成为技术领导者

当前，中国公司正主宰整个太阳能光伏产业价值链的生产指标，从多晶硅到模块生产阶段，中国的下一个目标便是展示其在这些领域的卓越技术。几年前，当模块最低效率水平被强制作为部署约束来证明政府实施的领跑者计划（Top Runner program） 时，这种驱动就已经开始了。

这立刻对电池制造业产生了影响，目前大多数国内电池生产商着手改变工艺流程，以提高电池效率。这也为光伏设备供应商创造了一个蓬勃发展的机会，升级他们现有的生产线。此外，中国以及东南亚地区的新建厂房还为工具制造商提供了大量订单。截止2016年年底，光伏行业，特别是中国的光伏行业，专注于p型硅晶片的使用，而不是半导体行业的奠基石—更高规格的n型硅晶片。据悉，光伏产业大约消耗了所有硅产量的95%。

事实上，中国的优势在于生产力，中国聚焦的技术大部分是使用多晶硅晶片，具体是通过采用浆料线锯将铸造用炉中的硅砖切割成薄片实现的。这一低进入壁垒完美契合中国企业，并促使p型多晶硅电池生产占有约75％的市场份额。

但是，在过去的几年中，这一切都发生了变化。虽然部分的驱动力源自中国国内市场的竞争，以获得更高性能的模块，但整个行业现正迅速转变，开始采用p型单晶硅片，并且使用切克拉斯基法（Czochralski，也称直拉法）的拉拔器来生产锭并使用金刚石线锯将其锯成晶片。

使用单晶硅晶片一直是太阳能电池生产商推动电池平均效率水平超过20％的动力。然而，由于缺乏单晶硅的主要供应商，此前已经阻碍了P型多晶硅的市场份额增长。

如今，变革的催化剂来自于中国一家公司 ——西安隆基硅材料股份有限公司（Xi’an LONGi Silicon Materials ）。该公司自2015年起已发展成为全球生产规模最大的单晶硅产品制造商。 截止2017年底，隆基在中国的单晶硅锭和金刚石线切硅片的产能累计达到15GW，现计划未来三年每年增长约10GW，到2020年底达到45GW的单晶硅产能。

最近，另一家中国企业 ——天津中环半导体股份有限公司的光伏单晶硅片的产能也迈入了数以十计的GW水平。 总的来说，这两家公司已经为p型单晶硅片创建了供应渠道，使得电池制造商可以从多晶硅转型为单晶硅，这是因为他们知道晶圆供应的每瓦单位成本价格能够与p型多晶硅片的价格相竞争。

因此，光伏行业的技术趋势现正在向单晶硅片积极转型，由此增加了模块效率（和面板功率），促使每家公司必须都要拥有高效率的电池生产线。这种从多晶硅向单晶硅的转变也加速了后侧电池加工的变化，钝化层现在作为标准进行沉积，取代了传统的铝背场方法，这种方法在丝网印刷工具中曾是常态。 这种新的电池架构（简称PERC）首先为光伏行业使用的激光系统创造了重要应用。

不断投资n型电池生产技术

20年前的光伏行业，每一个发展路线图都是在工业技术的基础上，最终从p型单晶转向n型单晶电池生产。 然而，经济发展并非永远停格在某个阶段，在大规模生产中生产出23-25％的电池量所面临的挑战超出了目前主导p型电池生产的业内人士的能力。

然而使用n型晶硅后，性能水平超过了最佳的p型晶硅产品，这一事实通过前两家成功采用n型产品扩展GW产能水平的公司得以验证：SunPower公司（位于加利福尼亚州圣荷西） 和松下（Panasonic ）公司（位于日本大阪;松下收购了原日本三洋公司的光伏业务）。

自2012年以来，光伏组件平均售价的快速价格侵蚀，导致组件价格徘徊在0.30-0.40美元/瓦范围内，这让SunPower和松下公司的业务仅获得微利，并在一定程度上将n型晶硅产品推向利基市场。

然而，为了展现在技术上的领先地位，中国政府想要在国内创建一个制造基地，推动n型晶硅的产能。实现途径来自于Super Top Runner项目的创建，1.5GW的国内光伏组件的市场需求要求提供更高性能的组件，这就是使用n型晶硅产品的必要性。

随着中国的国家支持，投资正在流向n型电池产品生产的新产能，尤其是迄今为止松下专有的异质结型太阳能电池。中国的计划是用更低的资本支出和运营成本，以及使用中国本土工具供应商制造的太阳能电池沉积设备来实现与松下产品性能一致的水平。

这一新举措颇具雄心，并伴有一定的风险。因为与N型晶硅异质结太阳电池相关的大多数工艺技术都与外国设备供应商（和松下）有关，而且几乎所有试图打破该行业规律的中国公司都没有任何生产太阳能电池的经验。

然而，即使只有一名新的尝试者试图通过n型电池生产技术达到千兆瓦级别，那么这对于p型电池生产商造成的威胁就不能被忽视。如果这种情况在未来2-3年内发生，并且这项技术在大批量生产中显示出成本效益，便可以预计，2017年进入前10大排行榜的许多公司将对其机构内部的电池容量作出必要的调整并增加n型电池生产线。

PERC: 率先为光伏行业的激光系统创造重要应用

过去，对于光伏行业中的激光设备供应商而言，不乏昙花一现的应用可以为他们创造强劲的收入源。然而成功的匮乏让激光行业之后对光伏应用不再抱有希望。这些包括薄膜构图、激光刻边、通孔钻孔和激光掺杂等在内的应用仅提供了少量零散的订单。

然而到2018年底，几乎所有的太阳能生产线都将在关键工艺流程阶段配有激光加工工具。 其主要动力源自一个应用：发射极及背面钝化电池（PERC)。 值得一提的是，我们可以简单地讨论一下薄膜太阳能电池制造业当前的发展情况。

在生产线上需要应用多种激光工具的薄膜光伏制造大致可分为三类：First Solar公司及其扩张计划; Solar Frontier公司努力保持盈利的业务，且产量有所下降; 而另一个中国乐观主义的阶段呈现出一次性研发支出的特征。

First Solar公司（作为唯一的碲化镉供应商）目前正投资10亿美元用于在未来2-3年的时间内，用系列6面板（1230×2003 mm）替代传统的2-3GW的系列4面板（600×1200mm）。 此外，First Solar公司正在越南投入额外的产能，作为对马来西亚主要生产基地的补充。公司对于设备供应商的忠诚度为系列4面板的成功研发提供了助力，其大多数原始设备供应商现已与First Solar签订了系列6面板的设备合同。其中包括位于德国加布森的乐普科光电（LPKF Laser＆Electronics）公司的激光成型设备 。

然而，激光加工设备的主要应用机遇则来自PERC电池的生产，其中p型单晶硅和多晶硅均迎来新产能的安装，并且升级到现有的p型生产线。 目前，大多数传统p型单晶硅电池容量已升级至PERC，并且2018年和2019年期间的重点是实现p型多晶硅与PERC 100％的兼容。 这代表了激光工具在烧蚀电池背面钝化层接触开口方面的巨大推动力。

到目前为止，光伏激光加工系统专家德国InnoLas公司和激光微加工系统供应商3D-Micromac公司已经满足了激光工具和设备的供应需求。 此外，大部分供给则来自激光高科技企业——武汉帝尔激光科技股份有限公司，另有5至6家中国激光设备供应商也为中国的PERC电池制造业的升级发展提供助剂。

光伏技术和激光加工的未来

现如今，太阳能光伏产业已稳固迈入全球强势增长的新阶段，将年产能部署从2017年的100GW推动至2030年的太瓦级规模。行业领先的制造商正计划不断增加产能来匹配业内的供应水平。

太阳能电池效率现以20％以上的等级作为标配，由先进的p型结构和n型架构主导生产。然而，未来几年，PERC电池的升级革命将主导中国主流的p型电池生产商在工艺制程方面发生更多革新和变化，从而维持激光工具和设备供应商良好的订单水平。

2019年期间，预计技术升级的下一阶段将获得牵引力，无论是全行业转向使用P型双面PERC电池技术，抑或是n型电池生产为市场创造更多的贡献（包括基于异质结的解决方案）。