《紐約時報》1954年4月26日刊登的報道

從離網“備胎”到“雙碳之光”

追溯源頭，人類發(fā)現太陽光能產生電流這一現象，比可投入使用的光伏電池的誕生還要早115年，早在1839年，年僅19歲的法國人貝克勒爾（Alexandre-Edmond Becquerel）就在實驗中偶然發(fā)現了當金屬材料暴露在光線下會產生電流的現象，也就是如今為人所熟知的“光伏效應”（Photovoltaic Effect）。到了19世紀70、80年代，硒的光伏效應被發(fā)現，第一塊硒太陽能電池也隨之誕生，此后的60年間，銅與氧化亞銅、硫化鎘等的光伏效應也陸續(xù)被發(fā)現，但據此發(fā)明的電池轉換效率最高也僅有1%左右，遠遠達不到應用級別。

1940年，貝爾實驗室的半導體研究員奧爾（Russell Shoemaker Ohl）發(fā)現了硅的光伏效應，但最初的光電轉換效率還不到1%。此后，同為貝爾實驗室的磁性材料工程師查平（Daryl Chapin）、化學家富勒（Calvin Fuller）和物理學家皮爾森（Gerald Pearson）合作開發(fā)晶硅太陽能光伏電池，到1950年代初，其光電轉換效率相繼突破2%、4%關卡，遠高于當時其他材料制成的太陽能電池。到了1954年，晶硅電池的光電轉換效率一舉提高到了6%，讓投入商業(yè)化應用成為了可能。在此基礎上，三人將相關成果正式發(fā)表在學術期刊上，貝爾實驗室也為這一發(fā)明申請了專利，并召開了上文提及的發(fā)布會，引起了人們的矚目。

貝爾實驗室的三名科學家：Daryl Chapin、Calvin Fuller和Gerald Pearson

此后，從單純的轉換效率來看，晶硅電池的進步速度很快，1955年就達到了9%，1960年更是一舉突破了14%。不過，受限于成本、配套、適用場景等問題，其應用規(guī)模一直較小，最開始多用于為通訊衛(wèi)星、海洋導航設備、燈塔等離網用電場景，也包括一些離網住宅和所需功率更小的太陽能收音機、計算器等電子產品。吊詭的是，在很長一段時間中，如今看來是與光伏、風電等清潔能源“唱對角戲”的石油天然氣公司，也是光伏產品的大客戶，其主要應用場景則是離岸鉆井平臺的導航照明，埃克森美孚等油氣巨頭甚至都自己研發(fā)過光伏電池產品。不過，總的來說，這些商用場景大多離人們的普通生活較遠，“小眾”狀態(tài)也令光伏產業(yè)的規(guī)模難以迅速擴張。

第一個重要轉折出現在1970年代。1973年第四次中東戰(zhàn)爭爆發(fā)，OPEC實行石油禁運，導致第一次石油危機，國際油價應聲飆漲3-4倍，當時的發(fā)達國家多是石油消費大戶，也因此承受了巨大壓力，核能、太陽能等替代能源則受到高度重視。美國的“獨立計劃”“大宗購買計劃”“光伏研發(fā)法案”、日本的“陽光計劃”、歐洲的能源轉型都刺激著光伏產量激增，且逐漸步入民用領域。1973年，美國特拉華大學建成了世界上第一個光伏住宅，1979年全球太陽能電池安裝總量突破1MW。不過，畢竟光伏發(fā)電具有明顯的間歇性、波動性特點，當時的電網配套、儲能技術等都難以支撐集中式的大規(guī)模光伏并網發(fā)電，所以直到21世紀光伏步入產業(yè)化大發(fā)展時代之前，其民用發(fā)電應用仍多以離網場景為主，例如我國1997年推進實施的“光明工程”，就是通過光伏、風電等的建設“送電到鄉(xiāng)”，解決3000萬無電鄉(xiāng)人口的用電問題。

而且，在整個20世紀下半頁，光伏的“備胎”屬性也比較明顯，只要是石油危機、核能安全事故發(fā)生，光伏就會在短期內受到重視，相關問題、焦慮得到緩解，光伏的發(fā)展又會陷入蟄伏甚至低潮狀態(tài)。但到了1990年代以后，情況漸漸出現了變化，又一次重要轉折逐漸醞釀，那就是氣候危機、生態(tài)問題的凸顯，讓降碳減排、能源轉型逐漸成為了必須之舉。這其中的關鍵節(jié)點包括1997年《聯合國氣候變化框架公約》京都議定書的簽訂、各國可再生能源法、能源轉型計劃、凈零排放時間表和路線圖的相繼出臺、2016年《巴黎協定》的簽訂及1.5攝氏度溫控目標的提出等等。就在去年，國際可再生能源署、二十國集團（G20）、中美陽光之鄉(xiāng)聲明、COP28大會等國際性組織、會議數次強調了“2030年全球可再生能源裝機增至三倍”的目標，在相關規(guī)劃中，屆時可再生能源體量大約會達到11000GW，而光伏將達到5457GW，占著半壁江山，可以說，光伏已成為了名副其實的“雙碳之光”。

中、美、德、日的“四國演義”

1990年代初，全球光伏電池的年產量突破了50MW，到1997年年產量首次破百，基本上以平均每年10MW的水平穩(wěn)步增長。此后，2000年的產量接近400MW，2002年突破500MW，2004年則一舉突破到GW級別，當年的同比增速超過了50%，這一年，全球光伏需求市場也迎來大爆發(fā)，所以很多研究者將之視為光伏的產業(yè)化、規(guī)模化元年。

縱觀21世紀的光伏發(fā)展歷程，日本、德國、中國都曾執(zhí)全球光伏裝機量最高之牛耳，美國也從未掉出TOP5，西班牙、意大利都經歷過光伏裝機“爆發(fā)式”增長，印度則后來居上，自2018年起至今一直排在榜單的第五位。

而論到對光伏上下游發(fā)展的重要性和推動作用，中、德、美、日無疑居于第一陣營。根據國際可再生能源機構（IRENA）的數據，在2004年，日本光伏累計裝機量居首，德國、美國、中國依次居于其后；到了2023年，近20年過去了，中國以極大優(yōu)勢躍居榜首，美國、日本、德國則分列2、3、4名，在此期間，除了中國在2008年到2011年間短暫被意大利、西班牙取代外，其他所有年份，這四個國家都未掉出過裝機榜的前五名。

數據來自IRENA，鈦媒體APP制圖

四個國家中，日本在產業(yè)爆發(fā)前夕積累的優(yōu)勢其實最大，該國1970年代即開始實行“陽光計劃”，1980年代初就將光伏作為了能源規(guī)劃重點，相關研發(fā)、制造、應用等得到政府大力支持，1990年代還出臺過“千屋頂計劃”力推光伏發(fā)電，日企巨頭東芝、松下、日立、夏普等都曾在光伏產業(yè)鏈中扮演過重要角色。到2000年，日本不僅如上文所述裝機量排名全球首位，成為最大市場，其光伏電池產能也占到全球40%以上。但21世紀的光伏大爆發(fā)主要得益于各國政策補貼下的裝機激增和晶硅路線的降本提效，而日本光伏卻在產業(yè)爆發(fā)前夕遭遇了電力巨頭的集圍追堵截，“千屋頂”補貼在2005年告終；制造業(yè)領域對于質量標準的過高要求和本地市場的過度依賴，都讓其錯過了全產業(yè)鏈大幅降本和歐洲、中國市場爆發(fā)的機遇，除了2011年福島核電站事故爆發(fā)后的短暫回春，在其他大部分時間內，日本光伏的增長勢能都遠不如德國和中國。

德國光伏發(fā)展的起點較為特殊，主要動力來自于民眾反核運動、應對氣候變化、黨派博弈等方面，其1990年代推行的“標桿電價”是光伏發(fā)展史上最重要的政策之一，平衡新能源發(fā)展與傳統能源、電網利益的同時，給光伏企業(yè)提供了極大的降本增效動力和由之而來的盈利空間。2000年，德國出臺《可再生能源法》，補貼力度和相關規(guī)劃進一步加強，以光伏、風電為核心的可再生能源也成為了投資者的長期選擇。從技術研發(fā)、制造到裝機，德國在2004年開始的光伏大爆發(fā)時代扮演了重要角色，2005年其光伏裝機總量躍居全球第一，直到2015年被進入爆發(fā)模式的中國超越之前都大幅領先于第二名。不過，從增速上來看，2008年之后德國光伏產業(yè)就已逐漸步入低潮，主要還是受全球金融危機、歐債危機的影響，2010年的《光伏法案》大幅降低了發(fā)電補貼，下游市場走弱，中游制造業(yè)企業(yè)則內外承壓，Q-Cells、Solon等標志性企業(yè)相繼破產，此前與中國企業(yè)合作緊密的Solar World還“背刺”中企，促使歐盟對中國光伏進行“雙反”調查。但從2010年代之后，德國光伏的明顯勢弱和中國光伏的快速崛起還是成為了這一行業(yè)“東升西落”的顯影，近年來，德國在退煤、退核之際，光伏又再次被賦予重任，裝機增速再次放量，也引領了歐洲光伏進入又一輪“發(fā)展黃金期”，但直到2023年，德國光伏裝機總量仍落后于中、美、日，不復昔日霸主輝煌。

美國作為實用性光伏電池誕生地和最早進行商業(yè)化應用的國家，其光伏產業(yè)發(fā)展卻最為波折，究其原因，主要是政策上“變臉”乃至“翻臉”太快太多。遠到尼克松的光伏大發(fā)展被里根的“光伏大撤退”終結，近到奧巴馬“清潔能源復蘇戰(zhàn)略”、特朗普推動的頁巖油革命和拜登的綠色新政交替登場，讓美國光伏產業(yè)從裝機到制造端總是面臨著較大的波動。從當前來看，拜登上臺后美國光伏確實又進入了高速增長期，近四年光伏裝機年均增長率超過30%，2022年通過的《通脹削減法案》（IRA）更是催生了本土制造業(yè)產能的爆發(fā)式增長，2023年其本土組件產能年增長超60%，達到13GW以上水平，按照現有規(guī)劃來看，到2026年其組件產能可能會達到120GW，接近目前的10倍，全產業(yè)鏈產能更有可能激增至230GW。不過，政治上的不確定性仍然困擾著美國光伏，不少觀點認為，如果特朗普贏得今年大選，美國新能源的發(fā)展就會再次遭遇逆流。此外，美國本土光伏制造業(yè)產能也仍然面臨著供應鏈、投融資、產業(yè)工人儲備、市場風險等等不穩(wěn)定因素，Wood Mackenzie就曾預測，美國規(guī)劃中的組件產能在落地過程中可能會面臨較大變數，預計到2026年只有48%能夠真正達產。

而在目前的全球光伏產業(yè)格局中，從制造端到市場端，中國都居于C位，其存量、增量也都大幅領先于其他國家，而除了政策支持、國際環(huán)境等大背景，這一現狀很大程度上得益于光伏技術的快速迭代和成本的持續(xù)下降。

技術升級之路和成本下降之術

從起步來看，我國對光伏電池的關注并不算晚，1958年就研制出了第一顆硅單晶，1973年首次實現國內光伏發(fā)電地面應用，1974年制定太陽能科技發(fā)展十年規(guī)劃，一些國營光伏器件廠也在此時成立。80年代初，可再生能源、能源科技被納入國家五年計劃中，光伏從實驗室階段向規(guī)?；a能落地階段邁進，到80年代末，光伏電池產能提升到了MW級。90年代，我國市場化改革進一步深化，而氣候問題成為了國際矚目焦點，可持續(xù)發(fā)展理念受到重視，我國清潔能源發(fā)展也隨之提速。到21世紀初期，我國光伏制造業(yè)進入規(guī)?；l(fā)展期，無錫尚德、天合光能、阿特斯、賽維LDK等企業(yè)漸漸成為了全球光伏產業(yè)鏈上的主角。但彼時我國生產的產品大多銷往以歐美為主的海外市場，國內下游需求相對于制造業(yè)規(guī)模來說還未成氣候，直到2010年我國光伏累計裝機才突破1GW，還沒有當時無錫尚德一個企業(yè)的產能水平高，而那時德國裝機總量已超過18GW，由于歐洲市場的爆發(fā)，我國在全球排名從前五一度掉至第九名。

但自2011年起，由于歐美“雙反”對我國光伏海外市場的“毀滅性”打擊和國內“金太陽”工程、標桿電價補貼政策、《國務院關于促進光伏產業(yè)健康發(fā)展的若干意見》等支持政策的陸續(xù)出臺，我國國內市場步入了爆發(fā)式發(fā)展階段，2013年累計裝機容量一舉突破10GW，較2009年翻了60多倍，并在隨后超越德國躍升全球光伏裝機第一大國。此后，雖然經歷過第二輪“雙反”、531新政等起伏，但整體來看，我國光伏制造、市場都在以遠超其他國家的速度狂奔。尤其在步入2020年代之后，在較高基數上，我國光伏新增裝機平均年增速超過70%，3年累計裝機翻了14倍，截至2023年底，我國光伏累計裝機規(guī)模達到609.5GW，在電力裝機總量中占比21%，超越水電成為僅次于煤電的第二大電源，其中2023年單年新增216.88GW，同比增速高達148.1%。在制造業(yè)方面，我國硅料、硅片、電池片、組件四大主材產量均占全球8成以上，在逆變器、輔材輔料、光伏設備領域也具備超強實力，隆基綠能、通威股份、晶科能源、天合光能、陽光電源等紛紛成為了國際知名的光伏龍頭企業(yè)。

在以上所述的快速發(fā)展中，光伏技術的迭代和成本的下降最為引人矚目。在技術上，根據美國國家可再生能源實驗室（NREL）收錄的數據，目前多結電池的實驗室最高光電轉換效率由弗勞恩霍夫研究所創(chuàng)造，已經達到了47.6%，相當于1954年貝爾實驗室電池的7.93倍；而刨除多結電池，目前最高轉換效率則是由我國企業(yè)隆基綠能在去年11月創(chuàng)造的晶硅-鈣鈦礦疊層電池33.9%的轉換率。在量產轉換效率方面，目前我國頭部企業(yè)的N型電池也多在25.5%以上，持續(xù)強化著光伏發(fā)電的經濟性和實用性。目前，光伏制造正在經歷一場“N型革命”，效率更高的新一代電池逐步取代市場主流的“P型電池”，我國頭部企業(yè)每年都會投入大量研發(fā)費用開發(fā)TOPCon、HJT或BC等N型電池技術，在鈣鈦礦等下一代技術中也進行了前瞻布局，光伏科技迭代之路還在繼續(xù)。

各類光伏電池轉換效率記錄，圖片來自NREL

而在發(fā)電成本方面，根據《大國光伏》書中的測算，1950年代首批光伏發(fā)電系統的度電成本高達300美元，而目前最低電價已降至了0.0104美元/度（即1.04美分，出自2021年4月沙特阿拉伯光伏項目的中標電價），只相當于起初水平的三萬分之一；我國最低光伏度電價格也降到了0.15元人民幣以下（低于2美分），與自身相比，我國光伏發(fā)電成本在20年間下降了超過9成。全球光伏發(fā)電的降本之路，既得益于各國“標桿電價”等政策創(chuàng)新和相關產業(yè)支持舉措的推動，也與硅料價格、硅片尺寸的變化有關，而技術的快速進步、配套設施的跟進及產業(yè)鏈供應鏈協同發(fā)展、形成規(guī)模效應更是起到了重要作用。以我國為例，從組件、電池到硅片再到技術難度更高、一度被“卡脖子”的硅料，以及逆變器、支架、輔材輔料、光伏設備等，在21世紀的全產業(yè)鏈國產化大大降低了供應鏈成本和終端發(fā)電成本，特高壓等電網技術也支持了光伏的遠距離傳輸和總體發(fā)電成本，這讓我國在2020年代正式進入了光伏平價上網時代，為新能源替代化石燃料的經濟可行性贏得了更多的支持和認可。

2010年以來各國光伏發(fā)電成本下降曲線，圖片來自IRENA

作為當今新能源的“翹楚”，光伏的發(fā)展可謂激動人心，在有關能源轉型、應對氣候變化的論壇、會議中，光伏的成本下降和產業(yè)化發(fā)展總是被作為經典案例引用。但目前來看，這一領域面臨的困難也不少，比如發(fā)電量占比的增長速度遠遜色于裝機占比，制造端激烈的擴產競賽和價格戰(zhàn)帶來的風險，長時儲能技術進展的不及預期，以及全球政治和經貿格局變動帶來的阻礙等等。而就在2023年，根據世界氣象組織的統計，人類剛剛經歷了歷史上最熱的一年，平均溫度較工業(yè)化前的基線已高出約1.4攝氏度，2024年更是極有可能會突破1.5攝氏度的警戒線，按《巴黎協定》的氣候目標來看，留給人類行動的時間真的不多了，動蕩中發(fā)展的光伏等新能源，仍有一場硬仗要打。（本文首發(fā)于鈦媒體APP，作者｜胡珈萌，編輯｜劉洋雪）

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