1954年4月25日，整整七十年前，美國的貝爾實驗室在紐澤西州茉莉山（Murray Hill）宣布研制出了光電轉換效率達到6%的晶矽太陽能光伏電池，并通過當時的無線電發報機等電器進行了示範。《紐約時報》次日在頭版刊登了相關報道，将這一發明稱為“現代版阿波羅戰車”，并認為“這可能标志着一個新時代的開始，讓人類利用太陽無限能量的夢想得以實作”。也正是這塊電池的誕生，讓人們在實際生活中直接利用太陽能獲得電力成為可能，由此拉開了光伏規模化、産業化發展的帷幕。
《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，人類發現太陽光能産生電流這一現象，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）就在實驗中偶然發現了當金屬材料暴露在光線下會産生電流的現象，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，硒的光伏效應被發現，第一塊硒太陽能電池也随之誕生，此後的60年間，銅與氧化亞銅、硫化镉等的光伏效應也陸續被發現，但據此發明的電池轉換效率最高也僅有1%左右，遠遠達不到應用級别。
1940年，貝爾實驗室的半導體研究員奧爾（Russell Shoemaker Ohl）發現了矽的光伏效應，但最初的光電轉換效率還不到1%。此後，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）和實體學家皮爾森（Gerald Pearson）合作開發晶矽太陽能光伏電池，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，晶矽電池的光電轉換效率一舉提高到了6%，讓投入商業化應用成為了可能。在此基礎上，三人将相關成果正式發表在學術期刊上，貝爾實驗室也為這一發明申請了專利，并召開了上文提及的釋出會，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
此後，從單純的轉換效率來看，晶矽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、适用場景等問題，其應用規模一直較小，最開始多用于為通訊衛星、海洋導航裝置、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、電腦等電子産品。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，也是光伏産品的大客戶，其主要應用場景則是離岸鑽井平台的導航照明，埃克森美孚等油氣巨頭甚至都自己研發過光伏電池産品。不過，總的來說，這些商用場景大多離人們的普通生活較遠，“小衆”狀态也令光伏産業的規模難以迅速擴張。
第一個重要轉折出現在1970年代。1973年第四次中東戰争爆發，OPEC實行石油禁運，導緻第一次石油危機，國際油價應聲飙漲3-4倍，當時的發達國家多是石油消費大戶，也是以承受了巨大壓力，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”“光伏研發法案”、日本的“陽光計劃”、歐洲的能源轉型都刺激着光伏産量激增，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模光伏并網發電，是以直到21世紀光伏步入産業化大發展時代之前，其民用發電應用仍多以離網場景為主，例如大陸1997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”，解決3000萬無電鄉人口的用電問題。
而且，在整個20世紀下半頁，光伏的“備胎”屬性也比較明顯，隻要是石油危機、核能安全事故發生，光伏就會在短期内受到重視，相關問題、焦慮得到緩解，光伏的發展又會陷入蟄伏甚至低潮狀态。但到了1990年代以後，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、生态問題的凸顯，讓降碳減排、能源轉型逐漸成為了必須之舉。這其中的關鍵節點包括1997年《聯合國氣候變化架構公約》京都議定書的簽訂、各國可再生能源法、能源轉型計劃、淨零排放時間表和路線圖的相繼出台、2016年《巴黎協定》的簽訂及1.5攝氏度溫控目标的提出等等。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”的目标，在相關規劃中，屆時可再生能源體量大約會達到11000GW，而光伏将達到5457GW，占着半壁江山，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，全球光伏電池的年産量突破了50MW，到1997年年産量首次破百，基本上以平均每年10MW的水準穩步增長。此後，2000年的産量接近400MW，2002年突破500MW，2004年則一舉突破到GW級别，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，是以很多研究者将之視為光伏的産業化、規模化元年。
縱觀21世紀的光伏發展曆程，日本、德國、中國都曾執全球光伏裝機量最高之牛耳，美國也從未掉出TOP5，西班牙、意大利都經曆過光伏裝機“爆發式”增長，印度則後來居上，自2018年起至今一直排在榜單的第五位。
而論到對光伏上下遊發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）的資料，在2004年，日本光伏累計裝機量居首，德國、美國、中國依次居于其後；到了2023年，近20年過去了，中國以極大優勢躍居榜首，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。
資料來自IRENA，钛媒體APP制圖
四個國家中，日本在産業爆發前夕積累的優勢其實最大，該國1970年代即開始實行“陽光計劃”，1980年代初就将光伏作為了能源規劃重點，相關研發、制造、應用等得到政府大力支援，1990年代還出台過“千屋頂計劃”力推光伏發電，日企巨頭東芝、松下、日立、夏普等都曾在光伏産業鍊中扮演過重要角色。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，其光伏電池産能也占到全球40%以上。但21世紀的光伏大爆發主要得益于各國政策補貼下的裝機激增和晶矽路線的降本提效，而日本光伏卻在産業爆發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；制造業領域對于品質标準的過高要求和本地市場的過度依賴，都讓其錯過了全産業鍊大幅降本和歐洲、中國市場爆發的機遇，除了2011年福島核電站事故爆發後的短暫回春，在其他大部分時間内，日本光伏的增長勢能都遠不如德國和中國。
德國光伏發展的起點較為特殊，主要動力來自于群眾反核運動、應對氣候變化、黨派博弈等方面，其1990年代推行的“标杆電價”是光伏發展史上最重要的政策之一，平衡新能源發展與傳統能源、電網利益的同時，給光伏企業提供了極大的降本增效動力和由之而來的盈利空間。2000年，德國出台《可再生能源法》，補貼力度和相關規劃進一步加強，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、制造到裝機，德國在2004年開始的光伏大爆發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年之後德國光伏産業就已逐漸步入低潮，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》大幅降低了發電補貼，下遊市場走弱，中遊制造業企業則内外承壓，Q-Cells、Solon等标志性企業相繼破産，此前與中國企業合作緊密的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年代之後，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“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“發展黃金期”，但直到2023年，德國光伏裝機總量仍落後于中、美、日，不複昔日霸主輝煌。
美國作為實用性光伏電池誕生地和最早進行商業化應用的國家，其光伏産業發展卻最為波折，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展被裡根的“光伏大撤退”終結，近到奧巴馬“清潔能源複蘇戰略”、特朗普推動的頁岩油革命和拜登的綠色新政交替登場，讓美國光伏産業從裝機到制造端總是面臨着較大的波動。從目前來看，拜登上台後美國光伏确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産能的爆發式增長，2023年其本土元件産能年增長超60%，達到13GW以上水準，按照現有規劃來看，到2026年其元件産能可能會達到120GW，接近目前的10倍，全産業鍊産能更有可能激增至230GW。不過，政治上的不确定性仍然困擾着美國光伏，不少觀點認為，如果特朗普赢得今年大選，美國新能源的發展就會再次遭遇逆流。此外，美國本土光伏制造業産能也仍然面臨着供應鍊、投融資、産業勞工儲備、市場風險等等不穩定因素，Wood Mackenzie就曾預測，美國規劃中的元件産能在落地過程中可能會面臨較大變數，預計到2026年隻有48%能夠真正達産。
而在目前的全球光伏産業格局中，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，而除了政策支援、國際環境等大背景，這一現狀很大程度上得益于光伏技術的快速疊代和成本的持續下降。
技術更新之路和成本下降之術
從起步來看，大陸對光伏電池的關注并不算晚，1958年就研制出了第一顆矽單晶，1973年首次實作國内光伏發電地面應用，1974年制定太陽能科技發展十年規劃，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模化産能落地階段邁進，到80年代末，光伏電池産能提升到了MW級。90年代，大陸市場化改革進一步深化，而氣候問題成為了國際矚目焦點，可持續發展理念受到重視，大陸清潔能源發展也随之提速。到21世紀初期，大陸光伏制造業進入規模化發展期，無錫尚德、天合光能、阿特斯、賽維LDK等企業漸漸成為了全球光伏産業鍊上的主角。但彼時大陸生産的産品大多銷往以歐美為主的海外市場，國内下遊需求相對于制造業規模來說還未成氣候，直到2010年大陸光伏累計裝機才突破1GW，還沒有當時無錫尚德一個企業的産能水準高，而那時德國裝機總量已超過18GW，由于歐洲市場的爆發，大陸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”對大陸光伏海外市場的“毀滅性”打擊和國内“金太陽”工程、标杆電價補貼政策、《國務院關于促進光伏産業健康發展的若幹意見》等支援政策的陸續出台，大陸國内市場步入了爆發式發展階段，2013年累計裝機容量一舉突破10GW，較2009年翻了60多倍，并在随後超越德國躍升全球光伏裝機第一大國。此後，雖然經曆過第二輪“雙反”、531新政等起伏，但整體來看，大陸光伏制造、市場都在以遠超其他國家的速度狂奔。尤其在步入2020年代之後，在較高基數上，大陸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，大陸光伏累計裝機規模達到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%。在制造業方面，大陸矽料、矽片、電池片、元件四大主材産量均占全球8成以上，在逆變器、輔材輔料、光伏裝置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。
在以上所述的快速發展中，光伏技術的疊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）收錄的資料，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大陸企業隆基綠能在去年11月創造的晶矽-鈣钛礦疊層電池33.9%的轉換率。在量産轉換效率方面，目前大陸頭部企業的N型電池也多在25.5%以上，持續強化着光伏發電的經濟性和實用性。目前，光伏制造正在經曆一場“N型革命”，效率更高的新一代電池逐漸取代市場主流的“P型電池”，大陸頭部企業每年都會投入大量研發費用開發TOPCon、HJT或BC等N型電池技術，在鈣钛礦等下一代技術中也進行了前瞻布局，光伏科技疊代之路還在繼續。
各類光伏電池轉換效率記錄，圖檔來自NREL
而在發電成本方面，根據《大國光伏》書中的測算，1950年代首批光伏發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标電價），隻相當于起初水準的三萬分之一；大陸最低光伏度電價格也降到了0.15元人民币以下（低于2美分），與自身相比，大陸光伏發電成本在20年間下降了超過9成。全球光伏發電的降本之路，既得益于各國“标杆電價”等政策創新和相關産業支援舉措的推動，也與矽料價格、矽片尺寸的變化有關，而技術的快速進步、配套設施的跟進及産業鍊供應鍊協同發展、形成規模效應更是起到了重要作用。以大陸為例，從元件、電池到矽片再到技術難度更高、一度被“卡脖子”的矽料，以及逆變器、支架、輔材輔料、光伏裝置等，在21世紀的全産業鍊國産化大大降低了供應鍊成本和終端發電成本，特高壓等電網技術也支援了光伏的遠距離傳輸和總體發電成本，這讓大陸在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赢得了更多的支援和認可。
2010年以來各國光伏發電成本下降曲線，圖檔來自IRENA
作為當今新能源的“翹楚”，光伏的發展可謂激動人心，在有關能源轉型、應對氣候變化的論壇、會議中，光伏的成本下降和産業化發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，比如發電量占比的增長速度遠遜色于裝機占比，制造端激烈的擴産競賽和價格戰帶來的風險，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，人類剛剛經曆了曆史上最熱的一年，平均溫度較工業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》的氣候目标來看，留給人類行動的時間真的不多了，動蕩中發展的光伏等新能源，仍有一場硬仗要打。（本文首發于钛媒體APP，作者｜胡珈萌，編輯｜劉洋雪）
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