了解太阳能光伏技术全球价值链的动态

经济研究第 40 号工作文件了解全球价值链的动态太阳能光伏技术玛丽亚 · 卡瓦略Antoine Dechezlepr ê treMatthieu Glachant2017 年 11 月 了解全球太阳能价值链的动态光伏技术玛丽亚 · 卡瓦略 ， 伦敦经济学院 ， 英国Antoine Dechezlepr ê tre ， 伦敦经济学院 ， 英国Matthieu Glachant, MINES ParisTech, 法国Abstract太阳能光伏 (PV) 行业在其过去十年的全球价值链。本文试图了解这是如何转移已经发生 ， 其驱动因素 ， 特别关注无形的作用资产和知识产权 (IP) 。而太阳能光伏的价值链技术最初集中在美国、德国和日本 (大多数专利发生) ， 生产设备的技术转让到China through turnkey fabrication lines led to an 85% price drop since 2009. This将晶体光伏确立为太阳能光伏和 LED 的主导 “产品创新 ”主要太阳能光伏制造企业退出市场 ， 诱导地理中国制造业的整合。在这个利润紧张的市场对于幸存下来的公司来说 ， 创新的重点是降低生产成本 ，而不是开发新产品 ， 导致专利活动减少全球。然而 ， 在价格暴跌中幸存下来的公司增加了他们的最近的专利活动 ， 特别是在占主导地位的替代技术方面设计 ， 表明在这些部门时代对知识产权保护重新产生了兴趣重塑。虽然无形资产的知识产权保护不是中国公司的成功 ， 也没有保护发达国家的老牌公司从中国企业的竞争中脱颖而出 ， 这很可能成为一个关键未来几十年商业成功的要素 ， 如果可以选择的话晶体光伏电池技术终于进入市场。关键字:太阳能光伏; 全球价值链; 工艺创新; 技术转让 ； 中国 ； 知识产权。果冻:O31 、 O33 、 Q40 和 Q55 。免责声明本文表达的观点是作者的观点 ， 不一定反映世界知识产权组织或其成员的意见states.1 1. Introduction中国现在主导着全球太阳能光伏价值链 ， 而 15 年以前 ， 光伏系统的大部分需求和供应都位于少数几个发达经济体 ， 特别是美国、日本和德国。这个过程有导致价格大幅下跌 (自 2009 年以来为 - 85%) ， 这使得政府能够减少向下游太阳能项目开发商提供的补贴（ Lazard ， 2016 ） 。尽管需求旺盛 ， 但它也导致了几个西方国家的退出和中国企业 ， 以及幸存者之间的激烈竞争。本文试图了解这种空间变化是如何发生的及其驱动因素 ，特别关注无形资产和知识产权的作用。我们还研究了创新在新竞争制度中的作用。这项研究是基于对灰色文献和学术研究的回顾特别是作者的作品 (Carvalho ， 2015 ， 和 De La Tour 等人 ， 2011) -通过对专利和行业数据的深入分析以及采访行业参与者、专利审查员和知识产权专业人士。在第一节中 ， 我们描述了价值链的演变。然后我们检查中国球员通过哪些渠道获得了必要的知识和无形资产进入市场。最后一节讨论innovation. In particular, we examine the causes of the apparent decline of近期的创新以及专利在新业务中的作用从行业最近发生的重大变化中出现的环境通过。2. 国际供应链的性质和演变2.1. The technology像许多技术一样 ， 这是一个偶然的发现 ， 导致了最初的太阳能光伏发电作为一种利基技术的发展。罗素Ohl ， 美国新泽西州贝尔实验室的科学家覆盖着那闪亮的在电压表上记录的单晶材料上的光1 在 1940 年代早期(Perlin, 1999). Ohl was not the first scientist to discover a material that conducted电 （ 称为半导电效应 ） 暴露在阳光下。最早注意到的事件是近一个世纪前由埃德蒙 · 贝克勒尔在法国 ， 当他注意到当电流产生时的类似效果Two metals imbursed in a liquid were exposed to sunlight (Fraas, 2014). Though几位科学家确实设法用不同的材料生产了光伏电池贝克勒尔和奥尔的发现 ， 实际上是贝尔实验室的科学家谁开发了第一个晶体光伏电池 (Fraas ， 2014 ； Perlin ， 1999) 。现在有四种不同的太阳能光伏电池系列。首先是基于晶片的晶体光伏电池 ， 进一步分为光伏电池 ， 由单晶生长方法 （ 即单晶光伏电池 ） ， 或铸造凝固产生多个较小晶体 (即, 多晶 PV 电池) 的工艺。第二类光伏电池是薄膜电池 ， 由在更便宜的背衬上沉积非常薄的半导电 PV 材料层玻璃、塑料或不锈钢等材料。薄膜太阳能光伏技术已经设法将晶体光伏的替代材料商业化 ， 比如测量电势 (以伏特为单位测量) 的装置。2 碲化镉 (CdTE) 和铜铟镓硒化物 (CIGS) 。两者晶体光伏和薄膜光伏电池占陆地光伏的大部分市场 ， 水晶光伏占陆基光伏系统的 90% 以上（ IEA ， 2016b ； SEMI PV ， 2017 ） 。接下来的两个光伏电池家族尚未商业化 ， 但确实显示出了希望。高效电池 （ 通常称为 III - V 组 PV 电池 ） 由砷化镓 （ GaAs ） 在 Ge 衬底上 ， 并首次开发用于太空applications (IEA, 2016b; NREL, 2017a; Perlin, 1999). These PV cells can use一个光伏电池 (单 p - n 结) 或两种类型的光伏电池 (多结)捕获更大范围的光波长 ， 从而增加细胞的效率。由于这些光伏电池的材料和生产成本高 ，地面系统涉及使用单个安装的 III - V 组光伏电池在一系列将阳光聚集到电池上的镜面反射器中 (又名concentrated PV, or CPV). This device is then mounted onto a solar tracking确保系统尽可能长时间导电的装置。在研发阶段表现出兴趣的最后一个太阳能光伏电池家族是光伏电池由有机材料制成的细胞。它们的潜力在于它对低成本材料和材料的灵活性 ， 这意味着能够集成到多个表面上 (NREL ， 2017a) ， 如窗户和其他建筑表面。然而 ， 有机光伏电池通常仍处于实验室阶段研究人员主要致力于确保这些细胞产生稳定的电量。高效电池 （ 多结和单结电池 ） 已实现功率转换效率远高于商业化的晶体 PV技术 ， 而某些类型的薄膜光伏电池还没有商业化现在已经达到了类似于商业化的晶体光伏电池 (NREL ， 2017a) 。然而 ，这些技术进入市场的原因是 ： (1) 确保这些光伏电池在非实验室环境中可靠且稳定地发电 ； 以及 (2)生产成本低于目前商业化光伏的市场价格技术 ， 以便具有成本竞争力。后一个原因尤其是重要的是要理解为什么即使是高效率的细胞 ， 或有机细胞来自较便宜的材料 ， 将很难与之竞争商业化的光伏技术 ， 即使这些光伏电池设法克服了Initial challenge of performing in field settings. This challenge is due to the扩大生产规模以与结晶光伏竞争的问题 - 这不是理论上最有吸引力的技术 ， 因为它的最大理论效率仅为 30% ， 远低于实验室测试的高效电池目前达到 50 ％ 的效率 （ N. J. Ekins - Daukes ， 2013; NREL ， 2017b ） 。2.2.T他要求如图 1 所示 ， 对光伏系统的需求经历了指数级的增长自 2000 年以来的增长。 2016 年 ， 新产能的安装增加了 34%去年的安装 ， 中国的增长率甚至是 + 126% 。直到 2011 年 ，这种增长主要发生在欧洲。需求分布更加均匀自那以后 ， 中国现在是最大的市场。3 图 1 ： 太阳能光伏装置的市场需求 （ 以年度光伏表示容量增加)来源 ： IEA （ 2016 ）太阳能光伏市场的发展在很大程度上是由政府支持政策。从历史上看 ， 监管机构大多使用 feed - in -加快投资的关税。 FIT 仍在推动约 65% 的光伏市场2015 年 (图 2) 。这种机制的工作原理是设定电网的保证价格运营商有义务从太阳能来源购买电力。太阳能光伏产生的电力相对于其他传统来源提供了更高的价格 ，反映更高的成本。提高太阳能光伏技术的成本竞争力最近允许太阳能光伏项目参与补贴后计划 ，例如太阳能光伏开发商向政府提交投标的竞争性招标开发发电项目。然后政府同意权力太阳能光伏价格的下降导致其中一些项目在高电力市场上具有成本竞争力价格 ， 导致激励安装太阳能发电用于自我消费。光伏系统可用于提供常规发电厂大小的电力- 称为公用事业规模的发电。这种公用事业规模的发电可以充当电力plant generating electricity for the grid. Alternatively, large industrial plants, or other负载 (例如数据存储中心) 可以直接从他们自己的光伏系统仅供他们自用 ， 或者抵消了一些从电网供电。较小规模的光伏系统可用于住宅或商业用途 ， 这些也可以连接到电网或仅用于自我消费 (特别是在电网偏远的地区基础设施尚未达到) 。任何纯粹用于自消费需要依赖电池 ， 或者与其他燃料来源混合 ，以确保全天提供稳定的电量。表1 显示了这些不同的市场类别。4 图 2 ： 2015 年太阳能光伏市场激励措施和推动因素来源 ： IEA （ 2016 ）表 1 ： 光伏市场类型和应用类别并网PVsystem 的大小类别应用程序网格 -已连接离网效用分配并网,公用事业规模发电并网,分布式能源离网、实用规模的工业用户 ； 远程社区Generation发电机 ， 工业用户住宅和商业建筑XXXXXX离网、分布式能源住宅和商业建筑 ， 包括远程社区 ； 远程、利基应用程序(从小型计算器到近海石油钻机, 空间应用XX图 3 ： 结晶光伏供应链生产阶段5 2.3. The supply图 3 展示了晶体光伏的供应链 ， 该技术占光伏市场的 90% 以上 (IEA ， 2016b ； Schmela 等人 ， 2016) 。生产过程包括五个主要阶段 ：1. 从石英砂中发现的二氧化硅 （ SiO2 ） 中纯化硅。超高获得光伏行业所需的纯度 （ > 99.999 ％ 纯度 ）通过重型和高能耗的化学过程。多晶硅不仅是用于晶体光伏的材料 ， 而且实际上是用于半导体工业 (用于微芯片等) 。然而 ，用于晶体光伏的多晶硅非常高 ， 以至于 90% 的多晶硅产量现在进入光伏行业 (Schmela 等人 ， 2016) 。2. 锭和晶片制造。锭 - 圆柱体或硅砖 - 是从纯硅中生长出来的。它可以是单晶 ， 称为单晶硅或单晶硅 ， 或多个硅晶体较小的 ； 称为多晶硅或多晶硅的材料。然后 ， 使用锯 ， 将铸锭切成称为晶片的薄层。次要过程就像抛光一样。3. 电池生产。为了形成电池 ， 将两个不同掺杂的晶片组装在一起形成一个所谓的 p - n 结 ， 负责光伏效应 ， 并应用顶部和后部金属触点。许多过程中的处理或修改可以应用于增加效率。4. 模块组装。电池焊接在一起 ， 电气连接手动或自动完成 ， 细胞被封装在玻璃中片材以形成将在层压机中烹饪的模块。5. Systems. The modules are combined with complementary equipment (such作为电池或逆变器) 向负载输送电力 (电力消费设备或到电网) 。重要的是 ， 这些生产步骤依赖于生产设备在光伏产业技术的空间转移中起着至关重要的作用。供应链的下游部分专注于所涉及的市场服务实际安装、运营和融资光伏系统 （ 图 4 ） 。6 图 4 ： 下游