光伏行业基本知识与投资机会分析：量子力学决定的光伏发电技术路线
前面介绍了光伏发电的物理原理，光生伏特效应：
前面说了光伏物理原理，今天在股市上算强势板块。现在介绍下光伏从物理原理，变成产业的技术路线。
先介绍一个技术参数：禁带宽度（band gap, Eg）。晶硅的禁带宽度是1.12ev，这啥意思？图中叫“带隙宽度”，硅是1.12ev，而流行的新材料钙钛矿是1.4ev附近，正好是最佳数值。所以钙钛矿材料能带来最高的光电转换效率，理论值能达到33.7%，而晶硅材料最高理论值只有29.4%。
所谓禁带，是说电子的能级，不可能进入的区间。在光伏半导体材料中，按量子力学解释，电子有两种能量状态，一个是“价态”，电子被原子束缚，不能宏观流动；一个是“导态”，再没有别的状态了。价态和导态里，电子的能量理论上是量子的，但由于间隔极细，看上去就是连续的能量值；但从价态的最高值到导态的最低值，有一个巨大的空隙，电子能量是不可能在其中的。这是量子力学决定的，真的有1.12ev这么大的宽度里，电子能量不可能出现。
它的物理意义是，对于晶硅材料，只有能量大于1.12 eV 的光子（对应波长要小于1108 nm）才能把一个电子从价带顶踢到导带底，产生电子-空穴对。但是，光子也不是能量越大越好，大于1.12ev的部分，不能用于发电，而是变成热（声子）被晶格吸收掉。所以，禁带宽度太小，虽然能用上的光子多，但变成热浪费掉的也多，禁带宽度太大，能用上的光子数量就太少。结果就是图中的曲线，各种材料的禁带宽度，对应了理论上的极限发电效率。
室温下晶硅的极限效率远小于50%，这是太阳光里只有49%的的光子能被吸收发电，而由于禁带电势差与电池开路电压的差异，只有60%的电能可以输出，这样得到了29.4%。实际工艺做不到这么高，只能逼近数值，实验室会高点，量产低一些。目前光伏电池达到的实验室最高效率约26.8%，量产最高效率约26%左右。
光伏发电的能量损失过程，就对应图二的两个概念：光学损失和电学损失。最多只有49%的光子能被吸收，这是太阳光中51%的光子因为能量不足损失掉了。还有其它可能的光学损失，如遮挡（Shading），栅线、焊带、边框、灰尘、积雪等把光直接挡死；反射（Reflection），空气/硅界面的折射率差异导致菲涅耳反射，裸硅表面反射率约35 %，得想办法用绒面、减反膜、玻璃盖板镀膜等办法减少反射；透射（Transmission），光穿过整个硅片却未被吸收，从背面跑掉， 硅片太薄长波吸收系数低会发生这个损失，可以在背面搞些膜，让透过去的光再弹回来二次吸收，或者搞 双面组件把地面反射的透射光“捡回来”。
电学损失又分为“复合损失”和“欧姆损失”两种。欧姆损失就是传输线路上的电阻导致电能损失，这容易理解。复合损失是说，光子打过来产生的载流子（前面说的电子-空穴对在耗尽区分离后），还没到电极上变成电流，就损耗变成了热。大致相当于，复合损失让参与发电的“人”减少，欧姆损失让发电的“人”走得慢。
光伏电池技术路线，就有几类目的。一个目的，是选用合适的光伏半导体材料，找更合适的禁带宽度。目前96%以上是晶硅材料，因为成本做得最低，但还有钙钛矿和薄膜电池两种小众路线。晶硅材料就是单晶硅和多晶硅，后者要被淘汰了。钙钛矿有多种分子结构候选，是有机-无机杂化钙钛矿做的薄膜。薄膜电池对应厚度仅微米级的更薄的半导体薄膜，按吸收层再细分为多种，砷化镓、碲化镉等等。钙钛矿和薄膜电池都是理论极限高，但成本高、量产效率表现不佳。美国那个亏损但市值冲到全球最高的First Solar就做的薄膜电池，靠补贴占市场份额，发电效率也就20%。
还有一种想法，就是“叠层电池”，用两种半导体材料分别来吸引光，理论上可以做到40%以上的效率，但就非常复杂。
再一类目的，就是材料选定了，用结构技术减少光学损失与电学损失，这说的都是晶硅材料。先有一个基础版本的，叫“铝背场电池（Al-BSF, Aluminium Back Surface Field），最早实现商业化应用，2016年还占市场90%。它上下两块N板、P板，正面磷扩散形成 N⁺ 发射极，背面P板整片印刷铝浆。形成的铝背场有双重作用，一个是反射光再去参与发电，再一个是电子反射镜，让电子更多参与电流。Al-BSF路线，量产发电效率约18%-19.5%。这已经不容易了，要多种工艺处理几个表面。
后来，PERC路线把AI-BSF淘汰了，从图三看效率明显高。到2022年时，PERC路线占比达到88%。但是到2025年，TOPCON路线又把PERC路线淘汰了，前五大厂商出货占比达到88%，PERC剩11%。
后面理论上有优势的BC路线（融合TOPCON和HJT路线），不会很快取代TOPCON，到2030年都会是共存。
PERC、TOPCON、HJT、XBC这些名词，细节非常多，总之就是继承优点但改进前面版本的缺点，办法就是减少光学损失和电学损失。看了就会知道，光伏发电技术很不简单。
这些技术路线基本是外国学者或公司提的，但中国公司把产业化指标和成本做到最好。
