气相传输沉积（VTD）技术壁垒与全球碲化镉（CdTe）光伏产业格局的范式转移

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气相传输沉积（VTD）技术壁垒与全球碲化镉（CdTe）光伏产业格局的范式转移

1. 技术分岔口与资本的战略选择

在全球能源转型的宏大叙事中，光伏产业正处于一个剧烈的动荡期与重构期。尽管晶体硅（c-Si）技术凭借中国制造的规模效应在全球市场占据了绝对的主导地位，将组件价格推低至0.10美元/瓦的历史低位，但在这一片红海之外，碲化镉（CdTe）薄膜光伏技术正凭借其独特的技术经济学属性、地缘政治豁免权以及深护城河的制造工艺，构建起一个独立且高利润的平行宇宙。

本报告将深入剖析支撑这一平行宇宙的核心技术——气相传输沉积（Vapor Transport Deposition, VTD），并将其与中国企业主导的 近空间升华（Close Space Sublimation, CSS） 技术进行详尽的对比分析。

我们的核心观点在于：VTD不仅仅是一种物理气相沉积工艺，它是First Solar（第一太阳能）在美国建立工业霸权的基石。通过利用载气流动力学实现的高通量连续生产，VTD技术成功地在高劳动力成本地区（如美国俄亥俄州、阿拉巴马州）实现了具有竞争力的制造成本，并完美契合了美国《通胀削减法案》（IRA）的补贴机制，从而创造了远超传统硅基光伏的超额收益。

与此同时，中国企业如中国建材（CNBM）、龙焱能源（Longyan Energy）及中山瑞科（Ruike）虽然在VTD领域处于追赶或技术路径分歧状态，但在CSS技术的改进与建筑光伏一体化（BIPV）的应用上开辟了独特的细分市场。

本报告将从宏观经济背景、底层技术物理机制、关键矿产（碲）供应链博弈、企业微观分析及未来钙钛矿叠层技术的演进等多个维度，为投资者提供一份详尽的决策指南。我们认为，理解VTD与CSS的技术分歧，是理解未来五年全球薄膜光伏资本流向的关键。

2. 宏观背景：过剩时代的生存法则与地缘套利

2.1 全球光伏市场的产能过剩与价格坍塌

进入2024年至2026年周期，全球光伏市场最显著的特征是供应链的极度过剩。据行业数据显示，2024年全球光伏新增装机量达到约600 GW 1，然而全球制造产能（涵盖多晶硅、硅片、电池、组件）已突破1 TW（1000 GW）。这种供需失衡导致了惨烈的价格战，标准晶体硅组件的现货价格在2024年第四季度至2025年初持续徘徊在0.09美元至0.10美元/瓦的区间。

对于隆基绿能、晶科能源等传统硅基巨头而言，这意味着毛利率的极限压缩。2024年上半年，中国头部光伏企业的净利润普遍出现下滑甚至亏损 4。在这样的宏观背景下，碲化镉薄膜技术如果仅参与纯粹的市场价格竞争，理论上将面临巨大的生存压力。然而，First Solar的积压订单平均售价（ASP）却能维持在0.30美元/瓦左右 6，这种价格与成本的脱钩现象，揭示了宏观市场中存在的结构性断层。

2.2 “两个市场”假说与政策护城河

全球光伏市场实际上已经分裂为“非美市场”和“美国市场”。

  • 非美市场：完全由中国供应链主导，价格由供需曲线决定，极其廉价但竞争惨烈。
  • 美国市场：受“301条款”关税、“201条款”关税以及《维吾尔强迫劳动预防法》（UFLPA）的多重保护。这导致美国本土市场的组件供应相对紧缺，且对供应链溯源有极高要求。

在此背景下，VTD技术支持下的First Solar成为了美国本土制造的象征。更重要的是，美国《通胀削减法案》（IRA）中的Section 45X条款为美国本土制造商提供了巨额税收抵免。具体而言，每瓦组件可获得0.07美元补贴，电池片0.04美元，加上硅片/基板等环节，垂直一体化制造商可获得约0.17美元/瓦的直接补贴 。这一政策工具从根本上改变了VTD技术的经济模型，使其不仅是技术路线的选择，更是地缘政治套利的工具。

2.3 中国的“双碳”战略与BIPV机遇

在中国宏观经济层面，房地产市场的调整促使建筑行业寻求新的增长点，而国家“双碳”目标推动了绿色建筑的发展。这为碲化镉技术在中国的发展提供了不同于美国的土壤。中国企业并未大规模从事实用级地面电站的CdTe组件竞争（因无法抗衡晶硅的成本优势），而是转向了高附加值的建筑光伏一体化（BIPV）市场。这种宏观需求的差异，直接导致了中美两国在技术路径（VTD vs. CSS）上的分道扬镳。

3. 技术范式深度解析：VTD与CSS的物理博弈

要理解相关企业的护城河，必须深入到沉积技术的物理底层。碲化镉薄膜电池的核心在于如何在玻璃基板上快速、均匀、高质量地沉积一层仅有几微米厚的半导体层。

3.1 气相传输沉积（VTD）：速度与流体力学的胜利

技术原理与机制：VTD是First Solar经过三十年打磨的核心工艺，其本质是一种改进的物理气相沉积（PVD）。与传统的真空蒸发不同，VTD引入了流体力学的概念。

  • 升华源与载气：在VTD系统中，CdTe粉末首先在高温区（通常是流化床或特制坩埚）升华成气态。关键在于，这些蒸汽并不是靠自身的扩散运动，而是被一股惰性载气（通常是氮气或氦气）“携带”着高速流动 8。
  • 气动传输：载气混合着CdTe蒸汽，通过加热的管道系统传输至沉积室。这一过程允许将原材料的供给（粉末注入）与沉积过程解耦，意味着可以实现真正意义上的连续加料，无需像传统蒸发那样频繁停机加料。
  • 沉积与结晶：混合气体通过特制的陶瓷喷嘴阵列，喷射到下方连续移动的玻璃基板上。基板温度（约400-600°C）低于蒸汽温度，使得CdTe在接触瞬间过饱和并结晶沉积 9。

核心优势（First Solar的护城河）：

  • 极致的通量（Throughput）：VTD技术的最大优势在于速度。由于载气的辅助，沉积速率极快。从一块裸玻璃进入生产线，到制成完整的组件出厂，First Solar的流程耗时不到4.5小时。这种高通量极大地摊薄了固定资产折旧和人工成本。
  • 大面积均匀性：通过精密计算的气体动力学模型（CFD），可以控制喷嘴的流场分布，从而在巨大的Series 组件（面积超过2.5平方米）上实现极高的厚度均匀性。
  • 原位掺杂能力：VTD工艺允许在载气中精确混入掺杂剂气体（如锑Sb、砷As等），或利用独立的掺杂剂加热器精确控制载流子浓度，从而提升电池效率 9。

技术壁垒：VTD系统的复杂性极高。需要平衡载气流速、压力、温度梯度和喷嘴几何形状。例如，如果载气流速过快，会稀释蒸汽导致沉积率下降；如果温度控制不当，蒸汽会在管道壁上提前冷凝，造成堵塞（VTD系统的常见维护痛点）。这种工艺诀窍（Know-how）是很难通过逆向工程复制的，这也是为何除了First Solar外，鲜有企业能驾驭GW级VTD产线的原因。

3.2 近空间升华（CSS）：晶体质量与工程挑战

技术原理与机制：CSS是中国碲化镉企业（如龙焱能源、CNBM下属公司）及早期德国企业（如Antec）主要采用的技术路径。

  • 极短间距：顾名思义，CSS的核心在于“近”。升华源（Source）与基板（Substrate）之间的距离极短，通常在1毫米至10毫米之间。
  • 弹道传输：在真空环境下，源被加热至高温（~700°C），基板温度较低（~500°C）。由于距离小于气体分子的平均自由程，升华出的CdTe分子以直线（弹道）方式直接飞向基板，无需载气辅助 13。

技术优劣势分析：

  • 优势：CSS由于在较高的基板温度和接近热力学平衡的条件下进行，通常能获得结晶质量更好、晶粒尺寸更大的多晶薄膜，这理论上对电池效率有利。且设备结构相对VTD更为紧凑，无需复杂的气体循环系统。
  • 劣势（工程放大的噩梦）：
    • 平整度控制：在几平方米的大玻璃上维持几毫米的均匀间距是一项巨大的机械工程挑战。玻璃在高温下会变软下垂，极易触碰升华源导致报废。
    • 产能限制：传统的CSS往往是准静态或间歇式的（Stop-and-Go），这限制了生产节拍。虽然龙焱能源等宣称开发了“改进型近距离升华”以实现连续生产 14，但在绝对的产线速度上，物理原理决定了其难以达到VTD那种气流输送的效率。

3.3 龙焱能源的“改进型”技术路径

根据调研，龙焱能源（Longyan Energy）采用的“改进型近距离升华”技术，实质上是一种试图融合CSS的高结晶质量与连续生产需求的混合方案。通过设计特殊的传输机构和源补充系统，龙焱试图打破传统CSS的产能瓶颈。这种技术路线的选择，使其在BIPV定制化组件（如透光、彩色组件）的生产上具有灵活性，但在应对数吉瓦级的标准化公用事业订单时，其规模效应仍逊于First Solar的VTD方案。

表1：VTD与CSS技术特性对比矩阵

维度气相传输沉积 (VTD)近空间升华 (CSS)
代表企业First Solar (美国)CNBM, 龙焱能源, 中山瑞科 (中国)
传输介质惰性载气 (N₂, He)真空 / 自由分子流
源-基板距离较远 (源与沉积室解耦)极近 (毫米级)
生产模式高速连续流 (Continuous)批次或准连续 (Batch/Semi-continuous)
沉积速率极快 (>10 µm/min)中等
工程难点气体动力学控制、管道堵塞大面积间距维持、热应力控制
掺杂灵活性高 (气相原位掺杂)中 (源掺杂或后处理)
主要应用场景地面电站 (Utility Scale)建筑光伏一体化 (BIPV)

4. 供应链深度剖析：关键矿产与地缘政治的绞索

在光伏产业中，相比于硅的无限可得性，碲化镉技术面临着严峻的原材料约束——碲（Tellurium, Te）。这不仅是资源问题，更是地缘政治与供应链安全的博弈。

4.1 碲的稀缺性与“非弹性的供给”

碲是地壳中最稀有的稳定元素之一，其丰度甚至低于铂金。全球每年碲的产量仅为600-700吨左右。绝大多数碲并非来自独立矿山，而是铜电解精炼过程中的副产品（阳极泥）。这意味着碲的供给具有极高的“非弹性”——即使碲价暴涨，铜矿企业也不会仅仅为了碲而扩产铜，因为碲的价值在铜矿总营收中微不足道。随着光伏产业向太瓦级（TW）迈进，碲的供应成为最大的硬约束。First Solar年产20GW组件，对碲的消耗量巨大。为了突破这一瓶颈，First Solar必须采取极具战略眼光的供应链整合。

4.2 First Solar的北美资源闭环

First Solar构建了一个堪称教科书级别的防御性供应链，通过锁定北美本土的碲资源，既满足了IRA法案对“国内含量”的要求，又规避了中国对关键矿产出口管制的风险。

  • 源头：Rio Tinto（力拓） 力拓集团在其位于美国犹他州的肯尼科特（Kennecott）铜矿斥资290万美元建设了专门的碲回收电路。该设施每年可生产约20吨碲。虽然从绝对数量上看不多，但其象征意义和战略价值极大——这是美国本土极少数的碲供应源。这部分碲是完全符合IRA补贴标准的核心原材料。
  • 精炼：5N Plus加拿大公司 5N Plus是这一链条中的关键连接点。力拓生产的粗碲被运往5N Plus位于蒙特利尔的工厂进行提纯，加工成半导体级的高纯碲化镉前驱体。5N Plus与First Solar签署了长期的独家供应协议，甚至可以说是First Solar的“影子制造部门”。

战略意义：这一闭环（犹他州矿山 -> 蒙特利尔精炼 -> 俄亥俄州/阿拉巴马州制造）完全脱离了中国供应链的控制。考虑到中国近期对镓、锗等关键矿产实施的出口管制，以及未来可能延伸至铟、碲的风险，First Solar的这一布局构成了极高的资源壁垒。

4.3 中国企业的供应链困境与机遇

中国是全球最大的碲生产国，控制了全球大部分的碲精炼产能。对于龙焱能源、CNBM等中国企业而言，获取原材料在物理上并不困难。然而，受限于CSS技术的产能释放速度和BIPV市场的相对小众，中国本土光伏产业对碲的消化能力远不及First Solar。这意味着，虽然中国拥有资源优势，但缺乏一个像First Solar这样的超级承载平台将资源优势转化为全球光伏市场份额。反而，中国更加收紧的出口政策可能会在短期内推高国际市场的碲价，增加First Solar非北美来源（如从其他国家采购）的成本，但这也会反过来刺激First Solar进一步加大薄膜减薄技术的研发（即用更少的碲发更多的电）。

5. 行业结构与竞争格局

5.1 全球市场：寡头与利基市场的共存

碲化镉市场呈现出极高的行业集中度。根据多家市场研究机构的数据，碲化镉技术占据了全球薄膜光伏市场超过50%的份额，而其中First Solar一家独大，占据了绝对的统治地位。

  • Utility Market（公用事业市场）：这是First Solar的后花园。凭借VTD技术带来的成本优势和GW级交付能力，First Solar是该领域唯一的薄膜玩家。
  • Specialty/BIPV Market（特种/建筑市场）：这是中国企业的根据地。CNBM、龙焱能源等企业利用CSS技术的灵活性，生产透光、彩色、甚至由于美学需求而牺牲部分效率的定制组件。

5.2 竞争格局中的“不对称战争”

First Solar与中国晶硅巨头（如晶科、隆基）之间的竞争是一场不对称战争。

  • 晶硅阵营：拼的是硅料价格、电池效率（TOPCon/HJT）和全产业链的垂直整合成本。战场是全球，但核心是红海。
  • CdTe阵营（First Solar）：拼的是政策红利（IRA）、碳足迹优势（Data Center客户偏好）和本土供应的确定性。战场局限于美国及部分高壁垒市场（如印度）。

6. 个股与重点企业深度分析

6.1 First Solar, Inc. (NASDAQ: FSLR)

  • 企业画像：全球最大的薄膜光伏制造商，VTD技术的集大成者，美国光伏制造业的“皇冠明珠”。
  • 财务表现：2024年第四季度净销售额达到15亿美元，全年初步净利润每股收益（EPS）达到12.02美元。截至2024年底，公司拥有12亿美元的净现金头寸。最引人注目的是其通过出售IRA 45X税收抵免获得的巨额现金流（以0.96美元/1美元抵免额的价格出售给Fiserv等机构），这为其产能扩张提供了零成本的资金来源。
  • 产能扩张：预计到2026年，全球名义产能将超过21 GW。位于阿拉巴马州和路易斯安那州的新工厂正在按计划推进。
  • 技术前瞻（范式转移）：收购瑞典Evolar AB是其技术路线图的关键转折点。Evolar拥有的基于蒸发法（Evaporation）的钙钛矿沉积技术，可以与First Solar现有的VTD产线进行真空互联。这意味着First Solar正在布局下一代“CdTe + 钙钛矿”叠层电池。如果成功，这将把组件效率从目前的19-20%提升至25-30%区间，彻底抹平与晶硅电池的效率差距。
  • 投资评级倾向：正面评价。受益于政策壁垒、技术护城河及稳健的资产负债表。

6.2 中国建材 (CNBM) / CTF Solar

  • 企业画像：中国光伏材料领域的“国家队”，拥有强大的资金实力和全产业链布局（从玻璃到组件）。
  • 技术实力：通过收购德国CTF Solar获得了核心技术能力，并在此基础上进行了本土化改进。其实验室电池效率已达19.3%。
  • 战略定位：不仅是制造商，更是工程总包商（EPC）。CNBM利用其在建材领域的渠道优势，大力推广“发电玻璃”概念，试图将CdTe组件作为一种标准建材植入建筑行业标准中。
  • 产能现状：在成都、邯郸等地建有多条100MW至300MW级别的生产线，总规划产能宏大，但实际满产率和出货量相较First Solar仍有量级差距。
  • 投资评级倾向：中性评价。作为BIPV概念的稳健标的，但在全球能源转型的主战场（地面电站）缺乏爆发力。

6.3 龙焱能源科技 (Longyan Energy Technology)

  • 企业画像：中国最早从事碲化镉产业化的民营高科技企业之一，具有深厚的学术背景（创始人吴选之教授）。
  • 技术特色：坚持自主研发的“改进型近距离升华”技术，宣称拥有完全自主知识产权。其产品在弱光发电性能和美学定制化方面具有优势，广泛应用于世园会中国馆等地标性建筑。
  • 融资动态：获得广致资本等机构的投资，显示出一级市场对其技术路线的认可。
  • 市场地位：BIPV领域的隐形冠军，但在向大规模标准化组件转型过程中面临产能扩充的资金和技术双重挑战。

6.4 中山瑞科新能源 (Zhongshan Ruike)

  • 企业画像：明阳智能集团旗下的薄膜光伏板块，具有风光互补的集团战略协同优势。
  • 技术渊源：由斯坦福大学校友团队领衔，技术起点较高。致力于开发高效率的CdTe电池及组件。
  • 发展潜力：依托明阳智能的强大背景，瑞科在资金和项目资源上具有先天优势，有望在分布式光伏和BIPV领域占据一席之地。

6.5 5N Plus Inc. (TSX: VNP)

  • 企业画像：全球领先的特种半导体材料生产商，First Solar背后的“卖铲人”。
  • 核心逻辑：作为First Solar的独家碲化镉前驱体供应商，5N Plus的业绩与First Solar的产能扩张高度正相关。其在碲精炼领域的垄断地位构成了极深的护城河。
  • 投资评级倾向：正面评价。作为供应链中的关键卡位者，其稀缺性尚未被市场充分定价。

7. 财务模型与经济性分析：VTD的套利数学

为了量化VTD技术在当前地缘政治环境下的经济价值，我们构建了一个简化的成本-收益模型，对比2026年美国本土制造的VTD组件与中国制造的TOPCon组件。

表2：2026年组件单位经济模型预估 (美元/瓦)

财务指标First Solar (美国 VTD)中国 Tier 1 (TOPCon)
制造成本 (COGS)$0.18 - $0.20$0.09 - $0.11
物流与关税 (DDP US)$0.01 - $0.02$0.10+ (含201/301/AD-CVD)
落地成本 (Pre-Subsidy)$0.20 - $0.22$0.20+ (受关税极大影响)
IRA 45X 税收抵免($0.17)$0.00
净成本 (Post-Subsidy)$0.03 - $0.05$0.20+
平均售价 (ASP)$0.28 - $0.30$0.30 (美) / $0.10 (非美)
毛利率 (Gross Margin)~80% (含补贴)~30% (美) / <10% (非美)

深入洞察：这个表格揭示了VTD技术在美国市场的本质——它不仅仅是制造商品，更是在“制造补贴”。

  • VTD的速度乘数效应：由于IRA补贴是按瓦数计算的，First Solar的VTD产线速度越快，单位时间内产生的税收抵免就越多。VTD的高通量特性使得First Solar成为了一台以极高效率印制税收抵免凭证的机器。
  • 成本倒挂：在计入补贴后，First Solar的净制造成本几乎可以忽略不计。这赋予了其极强的定价灵活性，即使硅基组件价格崩盘，First Solar依然可以保持盈利，而中国厂商在美国市场则被关税墙死死挡住。

8. 范式转移：钙钛矿叠层的未来

8.1 效率天花板的突破

CdTe单结电池的理论效率极限约为30%，实际量产效率目前卡在19-20%左右，提升日益艰难。而晶硅电池正逼近27%的极限。为了在2030年后保持竞争力，CdTe必须进化。

8.2 Evolar与VTD的融合

First Solar收购Evolar并非为了进军纯钙钛矿市场，而是为了叠层（Tandem）。

  • 技术路径：Evolar专长的**蒸发法（Evaporation）**是目前唯一能与First Solar的VTD干法工艺完美兼容的钙钛矿沉积技术。相比于溶液旋涂法（Spin Coating），蒸发法可以在真空环境下，在粗糙的CdTe表面均匀沉积钙钛矿层，且不使用对环境有害的溶剂。
  • 制造愿景：未来的First Solar工厂可能会在现有的VTD产线末端直接串联Evolar的蒸发腔体。玻璃基板经过VTD沉积CdTe后，直接进入蒸发腔沉积钙钛矿，出来就是效率超25%的叠层组件。这将是薄膜光伏对晶硅技术的“降维打击”。

9. 风险因素

  • 政策风险：IRA法案是支撑VTD经济性的支柱。如果美国政治风向转变导致IRA被废除或削弱，First Solar的估值逻辑将重构。
  • 技术迭代风险：如果晶硅+钙钛矿叠层技术率先突破并实现低成本量产，可能会对CdTe叠层构成威胁。
  • 环保法规：尽管RoHS目前对CdTe有豁免，但如果欧盟未来收紧对镉的限制，将打击该技术在欧洲市场的应用。

10. 结论与建议

Vapor Transport Deposition (VTD) 技术不仅是First Solar的技术护城河，更是美国光伏产业在逆全球化时代的战略堡垒。通过独特的气体动力学设计，VTD实现了CSS无法比拟的制造速度，从而最大化了政策红利的捕获能力。

对于VestLab基金而言，我们的建议如下：

  • 核心配置：First Solar (FSLR)。它是当前地缘政治格局下确定性最高的标的，兼具成长性（扩产）和防御性（高现金流、高壁垒）。
  • 供应链布局：5N Plus (VNP)。作为关键原材料的“守门人”，其稀缺性尚未被市场充分定价。
  • 关注名单：龙焱能源与CNBM。虽然它们在公用事业市场难以挑战First Solar，但在BIPV这一细分赛道，随着中国绿色建筑政策的落地，它们有望迎来独立的增长逻辑。

分析师声明：本报告基于公开信息及行业调研撰写，不构成直接的买卖建议。市场有风险，投资需谨慎。。

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