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光伏鼻祖之一Sunpower發(fā)展之路

   2013-11-04 雪球財(cái)經(jīng)14010
核心提示:作為科班出身的光伏人,謹(jǐn)以此文向那些為了人類能源可持續(xù)發(fā)展貢獻(xiàn)自己才智和心血的科學(xué)家,工程師,企業(yè)家,以及所有相關(guān)的人致敬。本文
作為科班出身的光伏人,謹(jǐn)以此文向那些為了人類能源可持續(xù)發(fā)展貢獻(xiàn)自己才智和心血的科學(xué)家,工程師,企業(yè)家,以及所有相關(guān)的人致敬。本文不可作為股票投資參考依據(jù)。資料來(lái)自多年整理,積累自業(yè)內(nèi)訪談,學(xué)術(shù)論文,行業(yè)報(bào)告,同行吐槽和網(wǎng)絡(luò)信息。

在過(guò)去30年太陽(yáng)能行業(yè)轟轟烈烈的發(fā)展歷程中,Sunpower不是第一家光伏公司,也不是增長(zhǎng)最快的,更不是實(shí)力最強(qiáng)的,但是誰(shuí)都不可否認(rèn),他是誰(shuí)都不可忽視的標(biāo)桿性企業(yè),他開(kāi)創(chuàng)了光伏發(fā)電普及的時(shí)代。因此回顧它的歷史,也是對(duì)太陽(yáng)能普及時(shí)代這三十年的一個(gè)見(jiàn)證。本文旨在介紹,這個(gè)公司為什么重要,他有什么樣的地位,他對(duì)光伏行業(yè)乃至能源行業(yè)產(chǎn)生了什么樣的影響。

要想知道什么是光伏,一切都要從1905年說(shuō)起。

1905年初春的瑞士依舊很冷。在伯爾尼街頭的咖啡館里面,一張桌子上擺著四篇論文。一個(gè)頭發(fā)蓬亂的年輕人一口一口的喝完手中的咖啡,拿起最上面一篇看了看,放到信封里寄給了德國(guó)物理學(xué)報(bào)。后來(lái)他因?yàn)檫@篇文章拿到柏林大學(xué)物理系教授教職并且獲得1921年諾貝爾獎(jiǎng)。這個(gè)年輕人的名字叫艾爾伯特愛(ài)因斯坦,他的這篇論文叫《光的發(fā)生和轉(zhuǎn)化分析》。他當(dāng)時(shí)還沒(méi)有意識(shí)到,這個(gè)發(fā)現(xiàn)在20世紀(jì)80年代給世界帶來(lái)了一場(chǎng)能源革命。

自從1839年法國(guó)攝影師,工程師Alexandre發(fā)現(xiàn)光照通過(guò)特殊材料會(huì)產(chǎn)生電流以來(lái),人們一直對(duì)神秘的光電效應(yīng)充滿了好奇。直到1905年這其中的原理才被愛(ài)因斯坦利用量子理論解釋清楚:光子和電子作為粒子其能量是可以進(jìn)行離散式的交換的。其量級(jí)是一個(gè)最小值的整數(shù)倍。

這一偉大的發(fā)現(xiàn)讓剛剛進(jìn)入電氣時(shí)代的人類社會(huì)激動(dòng)不已,尤其是學(xué)界和工業(yè)界。長(zhǎng)期以來(lái)基于卡諾循環(huán)驅(qū)動(dòng)的發(fā)電機(jī)慢慢占據(jù)了整個(gè)世界。已經(jīng)有不少富有遠(yuǎn)見(jiàn)卓識(shí)的物理學(xué)家和發(fā)明家已經(jīng)發(fā)現(xiàn),化石燃料(間接太陽(yáng)能)對(duì)人類能源需求的支撐時(shí)間尺度是無(wú)法和直接利用太陽(yáng)能能相比的。而如果利用光生伏打效應(yīng)導(dǎo)出電流,就可以得到及其理想的能源轉(zhuǎn)化系統(tǒng)。

然而,這一理想讓學(xué)界和工業(yè)界努力了50年。

1953年的新澤西的夏天永遠(yuǎn)是那么的涼爽。在貝爾實(shí)驗(yàn)室一間毫不起眼的辦公室里,有個(gè)身材瘦長(zhǎng)的中年人盯著一塊黑板很久了。他的名字叫Gerald Pearson,研究光伏效應(yīng)已經(jīng)有5年了。那個(gè)年代這個(gè)研究課題可不新鮮,畢竟愛(ài)因斯坦先生的文章已經(jīng)廣為傳播,誰(shuí)都想做出一些有實(shí)用前景的東西。和其他人不一樣的是,Gerald對(duì)在新的系統(tǒng)里觀察光伏效應(yīng)沒(méi)有什么興趣,他認(rèn)為真正有意義的研究是實(shí)際的應(yīng)用。根據(jù)他過(guò)去5年的研究結(jié)果,在半導(dǎo)體里面獲得的光伏效應(yīng)才可以穩(wěn)定輸出電功率,而地殼中含量第二名的硅元素正是新興的半導(dǎo)體行業(yè)中最常用的材料。因此使用硅材料的太陽(yáng)能電池成為他的研究重心。幾個(gè)月前剛剛拜訪過(guò)愛(ài)因斯坦,老人家已經(jīng)頑疾纏身,長(zhǎng)年專注大一統(tǒng)理論的研究。不過(guò)最終他還是告訴Gerald說(shuō):想想普朗克,布洛赫,想想布里淵。他們的研究對(duì)你會(huì)有幫助的?;氐睫k公室,Gerald和他的老同事William Shockley經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的計(jì)算,發(fā)現(xiàn)硅太陽(yáng)能電池的效率理論極限高達(dá)29%,鋪滿亞利桑那一半的沙漠就可以給全球供電。(后來(lái)Shockley和Han Queisser進(jìn)一步推導(dǎo)單結(jié)太陽(yáng)能電池理論極限為33.7%)這一結(jié)果更加增進(jìn)了Gerald的信心。

那個(gè)時(shí)代大家對(duì)2維襯底的均勻半導(dǎo)體摻雜還不是很熟練,這樣的大面積功率器件很不好制造。Gerald苦思良久,使用了furnace diffusion的方法,高溫將P,N雜質(zhì)通過(guò)氣相擴(kuò)散摻入2寸硅片,獲得了高質(zhì)量的大面積PN結(jié)。終于在1954年作出世界上第一片基于硅半導(dǎo)體的太陽(yáng)能電池,獲得了6%的光電轉(zhuǎn)換效率。而在這之前,所有的太陽(yáng)能電池效率都無(wú)法超過(guò)0.5%。14年之后,Gerald的師侄Bob Noyce使用了類似的辦法作出2維邏輯電路,降低了印刷電路成本,創(chuàng)立了一家公司叫英特爾。

這一進(jìn)步無(wú)疑是在黑暗中的一道閃電,突然大家都有了前進(jìn)的方向。于是美國(guó)人,蘇聯(lián)人,日本人和法國(guó)人紛紛加入這一行列,太陽(yáng)能電池效率從1957年的6%一路上揚(yáng)到70年到中后期的14%。

然而真正的富有遠(yuǎn)見(jiàn)的人是Gerald,他知道,問(wèn)題還很多,距離實(shí)用還很遠(yuǎn)。于是他辭掉了貝爾實(shí)驗(yàn)室舒適的工作,搬到了西海岸,在斯坦福大學(xué)當(dāng)起了教授,專注于研究硅太陽(yáng)能電池的商用化研究。

斯坦福大學(xué)是個(gè)藏龍臥虎的地方。在1960年加入后Gerald又招聘了James Meindl教授。兩位世界二次工業(yè)革命浪潮中的工程師家庭出身的背景使得他們對(duì)理論和相關(guān)技術(shù)開(kāi)發(fā)實(shí)用性的結(jié)合異常敏感,對(duì)漂亮的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和數(shù)學(xué)推演都有一種天生的洞察力和穿透力。他們?cè)谔?yáng)能光伏技術(shù)方面的研究合作更把這個(gè)技術(shù)向?qū)嵱没七M(jìn)了一大步。

1969-70年兩位老師招收了兩個(gè)學(xué)生:TJ Rodgers和Bob Swanson。TJ是個(gè)大個(gè)子+運(yùn)動(dòng)狂,看問(wèn)題直奔主題從不拖泥帶水;而Bob則是一副學(xué)者風(fēng)范,善于深挖物理圖像,分析探討問(wèn)題韌性十足。兩位同學(xué)當(dāng)時(shí)研究的是類似的問(wèn)題: 電子電路越來(lái)越復(fù)雜,如何改進(jìn)工藝做出功耗更低或者說(shuō)能量利用效率更高的電子器件呢?大方向上,集成電路(Integrated Circuit)看起來(lái)是個(gè)答案,但是這個(gè)答案沒(méi)有給大家任何具體操作的方向。

兩位同學(xué)的興趣側(cè)重不同,TJ專注于邏輯器件,如SRAM, EEPROM等。而Bob則一直專注于老師Gerald一生的熱愛(ài):硅基太陽(yáng)能電池。那個(gè)年代,大部分硅基半導(dǎo)體的前端工藝和封裝理論都在慢慢成熟。摻雜,光刻,絕緣層,Metallization都已經(jīng)漸漸不是問(wèn)題。因此TJ漸入佳境,在Gerald,James和師伯William Shockley的指導(dǎo)下做出一系列優(yōu)秀的可商用技術(shù)。為計(jì)算機(jī)的計(jì)算速度提升作出了重大貢獻(xiàn)。

然而,他的師兄Bob遇到了很多困難。因?yàn)榇蟛糠止杌雽?dǎo)體器件和工藝設(shè)計(jì)的方向都是高集成和低功率的方向,而太陽(yáng)能電池作為功率半導(dǎo)體器件,不太容易被CMOS工藝的進(jìn)步所幫助。有些看上去可用的工藝如果應(yīng)用在太陽(yáng)能電池上只能是個(gè)成本噩夢(mèng),無(wú)法實(shí)用。

1975年間,合作了5年多的師兄弟各奔前程。TJ去工業(yè)界,Bob留在斯坦福當(dāng)教授。臨走的時(shí)候TJ說(shuō):“Bob,你在做一件困難但是偉大的事情,如果將來(lái)需要我?guī)椭?,給我打電話。”

而這一個(gè)電話,26年之后才響。

75年-85年是硅谷蓬勃發(fā)展繼而震驚世界的年代。一群帶著啤酒瓶底眼鏡的書呆子們帶大家進(jìn)入了第三次工業(yè)革命。TJ在加入一間半導(dǎo)體公司工作數(shù)年后自己創(chuàng)立Cypress Semiconductor專功集成電路配件已經(jīng)賺得盆滿缽滿名動(dòng)天下。

而Bob還在斯坦福安安靜靜的做教授,他的收獲雖然不小,但是知道的人并不多。他已經(jīng)明白了硅基太陽(yáng)能板成本居高不下效率離理論值相去甚遠(yuǎn)的主要原因主要在器件設(shè)計(jì)和后端封裝工藝,比如電連接結(jié)構(gòu),比如面板和背板玻璃,比如大面積功率器件的current crowding問(wèn)題。

85年的時(shí)候Bob心中醞釀了15年的光伏發(fā)展圖景終于基本成型:

1. 未來(lái)世界100-200年之內(nèi),最可持續(xù)的發(fā)電方式是光伏。煤炭,柴油,天然氣快燒完的時(shí)候,光伏是最可靠最可持續(xù)最容易獲取的能源。(即使在化石燃料沒(méi)燒完的時(shí)候,開(kāi)采成本和難度也是越來(lái)越高)

2. 光伏發(fā)電今天(1985年)90%的挑戰(zhàn)在于成本.1975年的時(shí)候一瓦太陽(yáng)能板的成本約為100美金。這個(gè)成本必須在30年內(nèi)降下來(lái),最靠譜的辦法是技術(shù)進(jìn)步改善工藝成本,產(chǎn)品效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

3. 技術(shù)進(jìn)步首先發(fā)生在前端工藝,慢慢過(guò)渡到后端,最終在系統(tǒng)產(chǎn)生創(chuàng)新。

那一年,Bob接受了能源部的研究基金,做出了自己20%效率的太陽(yáng)能電池樣品,成立了一間公司叫SunPower。然后他寫了兩封信給自己的恩師James和Gerald:“我要推動(dòng)世界普及光伏發(fā)電。”

這句話20年后被另一個(gè)人引用了一次,他的名字叫Elon Musk。他那一年辦了另一家太陽(yáng)能公司叫做SolarCity。

85-86年剛出道的Bob并不順利。集成電路半導(dǎo)體的發(fā)展已經(jīng)成為了美國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支柱和未來(lái)希望。當(dāng)年的里根總統(tǒng)更是深紅陣營(yíng)中的強(qiáng)力領(lǐng)導(dǎo)人,他對(duì)石油之外的能源沒(méi)有半毛錢興趣。1986年甚至拆除了白宮屋頂?shù)奶?yáng)能電池板。Bob在硅谷找了一圈風(fēng)險(xiǎn)投資人,大家聽(tīng)到太陽(yáng)能這個(gè)名詞都問(wèn):這是能給你免費(fèi)熱水洗澡的技術(shù)么?風(fēng)投不成就去找曾經(jīng)支持太陽(yáng)能研發(fā)和商用化的石油公司,BP,Chevron,Mobil, Shell等等。很可惜,這些公司叢70年代的石油危機(jī)中恢復(fù)過(guò)來(lái),頗有些好了傷疤忘了痛的感覺(jué)。感覺(jué)當(dāng)年的研發(fā)完全是浪費(fèi)錢。因此,同樣一份商業(yè)計(jì)劃書,改了又改,靜靜的在Bob的辦公桌抽屜里面放了3年。

功夫不負(fù)有心人,只要努力堅(jiān)持總有人能賞識(shí)。到了1990年終于獲得風(fēng)險(xiǎn)投資公司AVI的投資,并且拿到了美國(guó)電力研究院和能源部的合作合同,共同研發(fā)高性能太陽(yáng)能電池。

根據(jù)Bob過(guò)去的積累,他總結(jié)出來(lái)了類似于摩爾定律的光伏Swanson定律:光伏電池的成本在產(chǎn)量每上升3倍的時(shí)候會(huì)下降20%。在1977年的時(shí)候,他的樣品成本為每瓦77.67美金。而Bob堅(jiān)定的認(rèn)為,這一定律的驅(qū)動(dòng)是技術(shù)進(jìn)步,也就是說(shuō)他要做質(zhì)量最好技術(shù)最先進(jìn)的產(chǎn)品。為了達(dá)到這一點(diǎn),他考慮了如下幾個(gè)問(wèn)題:

1. 光伏電池為了最大吸光,一定要使用背電極。這樣表面就不會(huì)有連接線擋住陽(yáng)光,提高單位吸光面積

2. 表面光學(xué)處理,降低產(chǎn)品反射率,提高吸光率

3. 反面鍍膜減少透射率

4. 使用最好的單晶硅片,減少雜志和缺陷,提高電流提取效率

5. 高質(zhì)量絕緣層防止電子空穴對(duì)的耦合

很快,公司在92年就做出了接近17%的高效率,脫離了手工作坊的狀態(tài),招了20個(gè)人,買進(jìn)了不少半導(dǎo)體行業(yè)退休下來(lái)的自動(dòng)化設(shè)備。擁有了一套小型量產(chǎn)生產(chǎn)線。然后,他的成本還在50美金一瓦。根據(jù)計(jì)算,如果給別人家里安裝,一度電成本相當(dāng)于3-4美金。而當(dāng)時(shí)市電均價(jià)為6美分以下??雌饋?lái)離大規(guī)模普及還有不少距離。

“隨著技術(shù)的進(jìn)步,成本最終會(huì)降下來(lái)的!”Gerald老師20年前的話語(yǔ)時(shí)常在耳邊回響。是呀,我要堅(jiān)持下去!

90年代中期世界經(jīng)歷了歷史上最瘋狂的石油價(jià)格飆升,越來(lái)越多的國(guó)家開(kāi)始研究太陽(yáng)能電池的特性。歐美很多政府和研究機(jī)構(gòu)開(kāi)始購(gòu)買sunpower的產(chǎn)品,進(jìn)行發(fā)電效應(yīng)的測(cè)試。公司接了一個(gè)又一個(gè)研究項(xiàng)目,收入慢慢流入,Bob開(kāi)始不停地升級(jí)設(shè)備,提高產(chǎn)能,同時(shí)繼續(xù)研發(fā),降低成本。1993年Sunpower和本田公司合作的太陽(yáng)能電動(dòng)車在澳大利亞拉力賽中獲得冠軍,超過(guò)第二名1整天的時(shí)間。97年,美國(guó)探路者(300005)太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)飛行器使用了和Sunpower合作開(kāi)發(fā)的太陽(yáng)能板。2001年,和NASA合作開(kāi)發(fā)的Helios飛行棋飛到了3萬(wàn)3千多米的高空,Sunpower的技術(shù),已經(jīng)站在了世界之巔。

然而,公司的現(xiàn)金已經(jīng)不多了。

為了讓公司找到可持續(xù)發(fā)展之路,整個(gè)90年代Bob嘗試了各種辦法,研發(fā)聚光太陽(yáng)能組件,紅外探測(cè)設(shè)備等等。很快他就發(fā)現(xiàn),這些市場(chǎng)都不是他擅長(zhǎng)的,最靠譜的還是專注的做太陽(yáng)能市場(chǎng)。在太陽(yáng)能市場(chǎng)中,他自然而然的想到了和NASA合作衛(wèi)星裝載的太陽(yáng)能電池,然而很快就被Boeing Spectral lab的高效太陽(yáng)能電池所打敗。

在持續(xù)10年的不斷嘗試和堅(jiān)持中,Bob痛苦的意識(shí)到,真正能讓公司成長(zhǎng)的還是自己原有的vision:民用太陽(yáng)能發(fā)電。而自己應(yīng)該專注于這個(gè)方向。然而,2000年初的成本雖然下降到10-15美金一瓦,但是還不足以做到和市電競(jìng)爭(zhēng)。出路到底在哪里?在這個(gè)時(shí)候,Bob想起了自己的師弟TJ Rodgers。

2001年的TJ已非當(dāng)年的吳下阿蒙。他已經(jīng)一躍成為身家過(guò)億的成功企業(yè)家,半導(dǎo)體行業(yè)的領(lǐng)軍人物。這年的冬天他接到了師兄Bob那個(gè)讓他等待了26年的電話。兩人一聊,讓TJ激動(dòng)不已。他發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)能技術(shù)在師兄手上已經(jīng)發(fā)展得如此成熟,大規(guī)模生產(chǎn)僅僅是欠缺臨門一腳。他告訴師兄,只需要將產(chǎn)能規(guī)模擴(kuò)大20-50倍,就可以將成本大幅度下降到1美金以下了。于是,他帶著一份完整的商業(yè)計(jì)劃書來(lái)找自己公司Cypress Semiconductor的董事會(huì),希望說(shuō)服董事會(huì)投資Sunpower。然而,董事會(huì)不相信Bob能夠?qū)a(chǎn)品成本從15美金降到1美金。見(jiàn)到這種情況,TJ毫不猶豫,馬上寫了一張75萬(wàn)美金的支票投資給Sunpower。而這個(gè)時(shí)候,據(jù)說(shuō)Sunpower的現(xiàn)金只夠支持不到5個(gè)月公司運(yùn)營(yíng)。有了這75萬(wàn)美金,Bob成功的將原來(lái)只能用于小規(guī)模量產(chǎn)的工藝改進(jìn),去掉了那些大規(guī)模量產(chǎn)的限制工藝,學(xué)會(huì)了犧牲暫時(shí)的產(chǎn)品性能來(lái)專注大規(guī)模生產(chǎn)。等到2002年他再次和TJ出現(xiàn)在Cypress Semiconductor董事會(huì)面前的時(shí)候,他們的全套工藝獲得了董事會(huì)的贊賞,獲得了8百萬(wàn)美金的投資。第一條生產(chǎn)線出來(lái)的時(shí)候終于越過(guò)了10美金一瓦的歷史性門檻。

2003年,Bob邀請(qǐng)Silicon Light Machine (Cypress Semi光學(xué)分公司)CEO,德國(guó)人Tom Werner 擔(dān)任公司CEO,自己退居二線專管大方向,而Tom Werner主要負(fù)責(zé)將公司產(chǎn)品成本進(jìn)一步壓縮。

2004年為了達(dá)到壓縮成本的目的,公司第一個(gè)亞洲分工廠在菲律賓開(kāi)張,出廠產(chǎn)品成本降至5-6美金一瓦。這一年也是歐洲光伏市場(chǎng)啟動(dòng)的元年。處于石油價(jià)格失控般的瘋長(zhǎng),歐洲國(guó)家紛紛推出了激進(jìn)的光伏政策,尤其是德國(guó)和意大利。這一年Sunpower在歐洲的第一家光伏電站在德國(guó)巴伐利亞州上線。

2005年公司上市,成為美國(guó)資本市場(chǎng)的光伏標(biāo)桿企業(yè)。

2007年,在菲律賓建成第二條生產(chǎn)線,收購(gòu)太陽(yáng)能行業(yè)下游企業(yè)PowerLight成為半垂直一體化的光伏企業(yè)。

2008年,光電池效率達(dá)到23.4%創(chuàng)下晶硅太陽(yáng)能電池世界紀(jì)錄。

到此為止,似乎公司走上了一條康莊大道,有了一個(gè)完美的結(jié)局。然而并非如此。前三年冒起的中國(guó)數(shù)家多晶硅公司尚德,英利和天合使用低純度P型多晶硅正面布線法做出來(lái)的產(chǎn)品有著強(qiáng)大的成本優(yōu)勢(shì)。而這個(gè)時(shí)候的歐洲開(kāi)始進(jìn)入政府補(bǔ)貼驅(qū)動(dòng)的大規(guī)模光伏安裝時(shí)代。在一波波光伏電站安裝的浪潮中,成本,自然成了首要考慮的問(wèn)題。眼看著歐美市場(chǎng)被來(lái)自中國(guó)的對(duì)手慢慢蠶食,公司2010之后連續(xù)虧損,現(xiàn)金再次見(jiàn)底,又到了生死存亡的時(shí)候。過(guò)去20多年反復(fù)遇到的生存問(wèn)題,再一次擺在Bob和Tom兩人面前。

2012年,法國(guó)石油公司Total宣布入股Sunpower 66%,并且支持公司進(jìn)一步研發(fā),改進(jìn)技術(shù)以降低成本,提高質(zhì)量。

2013年,公司業(yè)務(wù)全面增長(zhǎng),成本進(jìn)一步下降,毛利進(jìn)一步上升,自2010年以來(lái)首度扭虧為盈,股票價(jià)格4塊左右回到30美金。

Bob此時(shí)也長(zhǎng)期退居二線,回到學(xué)校做一些研究和演講。

作為Gerald的徒孫和Bob的師侄,我有幸數(shù)次和Bob見(jiàn)面,聽(tīng)他講述Sunpower的故事。上次見(jiàn)到他的時(shí)候不禁好奇問(wèn)到:你為什么選擇如此困難的光伏行業(yè)還能堅(jiān)持下來(lái)?是誰(shuí)在激勵(lì)你影響你?

Bob說(shuō),我一直記得師叔Gerald說(shuō)過(guò)的一些話。他說(shuō),光伏事業(yè)是如此的意義重大(meaningful)和激動(dòng)人心(exciting),讓我想到,如果我死的那一刻還能做光伏研究,才是人生最大的幸福。

再次向?yàn)槠占肮夥茉醋龀鲐暙I(xiàn)的先驅(qū)們致以最高的敬意。
 
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