浅析碳中和背景下光伏发电的发展路径

范辰浩

明华电力工程师

2020年我国国内生产总值（GDP）为14.73万亿美元，碳排放量102.51亿吨。根据中金研究院测算，我国碳排放量峰值会在2030年达到108-117亿吨，考虑9.1亿吨农林碳汇，净碳排放峰值99-108亿吨。

十四五规划提出从2020年到2035年实现GDP翻番，年平均增速达到4.7%。以此推算，2030年GDP是2020年的1.58倍。未来十年中国的年碳排放量提升空间不足10%。所以说，“十四五”是我国实现碳达峰碳中和目标、加快推进能源体系清洁低碳转型的关键期、窗口期，其中核心抓手就是清洁能源替代。

未来清洁能源的主角—光伏

据中国碳排放数据库，2017年碳排放占比前5为电力44%、钢铁18%、建材13%、交通运输8%、化工3%。电力占比最大，是国内碳排放绝对大户。据各行业推测2060年70%的能源由清洁电力供给。以下为2021年、2030年（预测）、2060年（预测）电源结构中占比前5的电源类型及其成本。（资料来源：中电联，公司公告，GGII，LEK咨询，中金公司研究部）

图1：2021年、2030年（预测）、2060年（预测）电源结构中占比前5的电源类型

图2：2021年、2030年（预测）、2060年（预测）电源结构中占比前5的电源成本

由上图可看出，2021年我国电源结构中，火电、水电、风电、核电、光伏发电的发电量占比分别为68%、16%、7%、5%、4%。预测到2030年和2060年，光伏发电量在电源结构中分别达到14%和49%，占比快速提高；同时其电源成本也快速降低。光伏是未来清洁能源的绝对主角。

表1：2020年和2030年（预测）度电成本

数据说明：

1.资料来源：中金公司研究部。

2.其中当前度电成本的测算参考中电联、风光水核公司公告、GGII，LEK咨询，并对标能源局、各区域电网披露的电价水平。

3.2030年成本为中金研究部预测

过去10年，得益于光伏发电效率提升、产业规模扩大、材料成本降低，其度电成本已经下降了89%，让我国近80%的国土上光伏发电成本都低于燃煤机组。而未来10年间光伏电源成本还能继续降低50%，发电成本降至0.15-0.2元/千瓦时，远低于火电机组的0.37元/千瓦时。届时火电灵活性、抽水蓄能、电化学储能的消纳度电成本分别为0.14、0.18、0.29元/千瓦时。综合考虑“电源度电成本+电网消纳成本”，至2030年“光伏+火电灵活性”和“光伏+抽水蓄能”的总度电成本已经低于火电机组，完全具备市场竞争优势。

风光都是间歇性、不稳定的资源。未来抽水蓄能总调峰能力有限，煤电调峰主力机组逐步退役，储能是风力/光伏发电发展的必要支撑。电化学储能电池与光伏同为制造业，也具备规模、材料、效率三方面降本增效的空间，因此储能度电成本的降低也会进一步巩固光伏发电的主体发电地位。

光伏发电的降本增效

光伏发电是利用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术。在硅片上掺杂和扩散微量的硼、磷等形成半导体P－N结。太阳光照射P－N结，光电子从P型流向N型产生电流。

目前，光伏发电以第二代P型（PERC/PERC+）电池技术为主，因其成熟的产业配套，量产线转换效率达到 23%，技术经济成本优势明显，2020 年其市占率达到86.4%。

传统PERC技术扩散工艺简单，增加激光SE、双面氧化和光/电注入再生等工序后，转换效率已接近量产极限。工艺流程和结构见图3。

图3：（PERC/PERC+）工序流程和结构图

光伏发电技术逐步向第三代 N 型电池技术（HJT晶体硅异质结和TOPCon隧穿氧化层钝化接触）升级。TOPCon技术在PERC电池的背板上增加一层超薄的隧穿氧化层，进一步提高光电转换效率。

图4：  HJT电池结构示意图

TOPCon可以很好兼容PERC设备，延长设备生命周期；缺陷是工艺复杂，成本较高。HJT技术具有光电转换效率高、光致衰减小、工艺流程短、双面率＞95%等优点（电池结构示意图见图4）；其属于低温工艺电池，降本路径清晰，包括硅片薄片化、减少银浆用量以及设备国产化等；缺陷是无法利用现有PERC设备，成本更高。综合来看，未来HJT和TOPCon技术均有望迎来产业爆发。

表2：PERC、TOPCon、HJT技术经济性对比

光伏发电的不确定性和确定性

光伏技术的迭代升级带来产业端的降本增效，头部企业可以享受超额的利润，这也是光伏技术快速进步的长期动力。

TOPCon可以利用现有PERC技术产线，但工艺复杂、成本高是其短板。目前，TOPCon 电池的3 种不同的工业化工艺流程没有明显的优劣势，分别为LPCVD 制备多晶硅膜结合传统的全扩散工艺、LPCVD 制备多晶硅膜结合扩硼及离子注入磷工艺，和PECVD 制备多晶硅膜并原位掺杂工艺。无论哪一种工艺能在减少工序、降低成本的同时更好的解决隧穿氧化层钝化接触、金属接触等问题，都会快速提升TOPCon电池的竞争性。

HJT的核心优势是工序少。其各关键工序同样也有不同的技术路线（详见图5），而细分领域各技术路线中，谁能获得市场最终的认可，需要产能效率、稳定性、经济性、技术难度、运维成本等因素的综合验证。

图5：HJT电池技术路线

参考资料：2020年光伏技术发展报告

此外，为了降低单晶硅硅片倒角大造成光伏组件功率低的影响，硅片生产企业逐渐的推出更大尺寸的硅片，由M0扩大至M2/M3/M6/M12等。增大硅片尺寸可以提升光伏组件功率、降低成本，但并不能提高光电转换效率。综合来看，现有设备最大可兼容M6尺寸硅片。硅片尺寸的增大会造成现有产能降低以及光伏电站安装运维无法统一等问题，需要光伏产业各个环节予以配合。

目前，中国是全球光伏行业中占比规模最大的国家，拥有完整产业链及配套产业。巨大的市场和资本让光伏技术链条的每个环节充满可能与未知，每一细分领域的技术进步都可能带动整个链条的调整与完善。没有哪项技术可以永占鳌头；在这不确定中可以确定的是，光伏技术会快速迭代升级，最终成为绿色能源主角。

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